【摘 要】
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CoSb_3基方钴矿材料具有良好的热电性能,环境友好且力学性能优异,是目前较有发展前景的中温热电材料。元素填充是被认为调控方钴矿性能最优的一种方式,在众多的掺杂元素中调控n型方钴矿性能最为有效的元素为Yb。当前大都采用长期退火,球磨和旋甩等方式制备方钴矿材料。制备方法不同,即便同一种制备方法稀土最佳填充量也均不同,同时方钴矿中含有Co,但Co是一种战略性资源。因此为了进一步提升方钴矿热电性能和节省
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CoSb3基方钴矿材料具有良好的热电性能,环境友好且力学性能优异,是目前较有发展前景的中温热电材料。元素填充是被认为调控方钴矿性能最优的一种方式,在众多的掺杂元素中调控n型方钴矿性能最为有效的元素为Yb。当前大都采用长期退火,球磨和旋甩等方式制备方钴矿材料。制备方法不同,即便同一种制备方法稀土最佳填充量也均不同,同时方钴矿中含有Co,但Co是一种战略性资源。因此为了进一步提升方钴矿热电性能和节省Co战略资源,开展Yb填充和无钴方钴矿热电材料的研究尤为必要。本文采用熔体旋甩方式制备n型和p型方钴矿,采用电导率/Seebeck系数测试系统、激光热导仪等手段研究其热电输运性能。得到如下研究成果:通过Yb元素填充结合熔体旋甩制备填充性n型方钴矿热电材料,制备周期大大缩短。随着Yb填充量增加,电导率升高,Seebeck系数绝对值逐渐减小,功率因子在填充量为0.25时达到最大值54.2μW·cm-1·K-2。同时,填充原子Yb在填充位置做的局域化简谐运动和多尺度结构,能够有效地对声子进行散射,降低晶格热导率,进而提高热电优值,最终方钴矿Yb0.25Co4Sb12在873K时ZT高达1.32,为进一步提升热电性能奠定基础。采用熔体旋甩及热压烧结制备工艺,利用Fe、Ni取代Co制备无钴p型方钴矿Ce0.45Nd0.45Fe3.75Ni0.25Sb12。与含钴方钴矿Ce0.45Nd0.45Fe3.5Co0.5Sb12样品对比发现,无钴合金电导率较高,而Seebeck系数较低,两种合金的功率因子基本相当。在热导率方面,无钴合金的总热导率和晶格热导率均高于含钴合金。所以导致在高温区间内,无钴合金的ZT值略低。无钴合金的ZT值在773K,仍可达到1.07。
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