CrN及WS2新型热电材料研究

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由于化石燃料燃烧所造成的全球气候变化对环境的影响正变得越来越令人担忧。热电材料是一种可以将热能梯度转换为可用电能的清洁能源,对于解决未来能源和环境问题至关重要。转化效率太低是热电材料目前所面临的主要问题。另外,很多性能较好的热电材料还存着着含有有毒元素、贵金属、机械性能差、价格昂贵等问题。所以寻找新型材料对于热电材料的发展具有重要的意义。CrN因为高硬度、耐磨耐腐蚀等良好的物理化学性能通常被广泛的用作耐磨涂层材料。作为一种应用广泛的工业材料,寻找简单快速合成CrN的方法对于CrN产业化具有重要意义。作为一种潜在的热电材料,CrN的高温热电性能还没有被充分探究。WS2因为较低的摩擦系数常作为润滑材料,其良好的延展性让它在热电柔性可穿戴设备上表现出巨大的应用潜力。但是WS2的热电性能太低,作为实际应用还有待进一步改善。本文针对CrN和WS2的潜在价值和所存在的问题,展开了以下研究:(1)探究新的制备方法来更快更简单的合成CrN,并对不同合成方法的最终产物进行物相和成分表征。分析了不同合成方法各自之间的优缺点。(2)研究了CrN块体试样从348 K到848 K温度范围内的热电性能。样品的电导率随温度的升高而减小,表现出类似金属的特性。样品在温度为848 K的时候获得了最大的功率因子和ZT值,分别为3.68μWcm-1K2和0.119。另外,论文针对目前大部分热电材料只关注ZT而忽略机械性能的现状,还研究了CrN的机械性能。实验样品的硬度为7.21 GPa。热重分析表明了CrN在900 K时依然保持稳定。耐摩实验结果展现了CrN较低的摩擦系数(?0.42)和良好的耐摩性能。CrN良好的机械性能让他在极端环境的热电应用具有良好的前景。(3)采用超声混合的方法合成了WS2/SiC、WS2/CNT复合热电材料。探究了不同的复合比例对于WS2基体材料热电性能的影响。实验结果表明,复合一定比例的SiC能有效降低材料的载流子浓度和迁移率,从而减小塞贝克系数;复合一定量的CNT能有效降低WS2的热导率和增大载流子浓度。复合SiC和CNT能在一定程度上改变WS2基体材料某一个热电参数的性能,整体的热电优值并没有提高。
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