【摘要】：能源一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)問題。化石燃料具有不可再生性以及使用后帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境污染,因此開發(fā)新型清潔能源技術(shù)迫在眉睫。熱電轉(zhuǎn)換是一種可直接將熱能和電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的技術(shù)。主要包括溫差發(fā)電和熱電制冷兩個(gè)領(lǐng)域。利用熱電材料制備的熱電制冷機(jī),無(wú)需制冷劑(氟利昂等),不會(huì)因?yàn)橹评鋭┬孤抖斐森h(huán)境污染;利用熱電材料制備的溫差發(fā)電機(jī),可以實(shí)現(xiàn)廢熱的回收,將低品位熱源轉(zhuǎn)換成電能,從而達(dá)到節(jié)能和能源再利用的目的。因此,熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)具有廣闊前景,而熱電材料作為熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的核心問題,已經(jīng)成為了當(dāng)前國(guó)際上研究的熱點(diǎn)課題之一。傳統(tǒng)的Bi_2Te_3,PbTe,SiGe等熱電材料制備比較困難,且易出現(xiàn)氧化、分解等,從而降低熱電設(shè)備的使用壽命和性能。氧化物熱電材料因制備工藝簡(jiǎn)單、無(wú)毒性、抗氧化能力強(qiáng),可在高溫下長(zhǎng)時(shí)間工作等優(yōu)點(diǎn)成為熱電領(lǐng)域新興的研究方向。在溫差發(fā)電機(jī)和熱電制冷機(jī)上,需要將p型和n型半導(dǎo)體熱電材料按照一定的排列方式組成閉合回路,且它們的熱電優(yōu)值(ZT)要相近,才能實(shí)際運(yùn)用。目前,p型氧化物熱電材料的發(fā)展速度遠(yuǎn)超過n型氧化物熱電材料,所以發(fā)展高性能n型氧化物熱電材料是當(dāng)務(wù)之急。本論文的研究目標(biāo)是制備高性能n型氧化物熱電材料。研究表明,鈦基氧化物(SrTiO_3和TiO_x)具備本征高Seebeck系數(shù),是潛力巨大的n型氧化物熱電材料,但其電導(dǎo)率較低、熱導(dǎo)率較高,從而影響其熱電性能的進(jìn)一步提升。所以本論文的研究思路是探索一種簡(jiǎn)單的制備方法,獲得低密度的塊體材料,降低其熱導(dǎo)率;通過在SrTiO_3中復(fù)合石墨烯或者制備缺氧型TiO_x的方法提升其電導(dǎo)率,最終實(shí)現(xiàn)熱電性能的有效提升。本文主要研究?jī)?nèi)容如下:首先通過水熱法制備納米氧化物粉體,再加入固體石蠟作為粘結(jié)劑,利用壓片機(jī)壓片成型,最后采用高溫固相燒結(jié)法燒結(jié)成型,并在室溫條件下測(cè)試其熱電性質(zhì),評(píng)估材料的熱電性能。(1)研究了不同的粘結(jié)劑(酒精、液體石蠟和固體石蠟)、溫度等制備條件對(duì)鈦基氧化物塊體材料成型的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)利用固體石蠟做粘結(jié)劑(粘結(jié)劑≥10wt.%),在1250℃保溫6小時(shí)條件下燒結(jié)的樣品成型效果最好。因?yàn)殁伝趸锞哂泻芨叩娜埸c(diǎn)(SrTiO_3和TiO_2的熔點(diǎn)分別為2060℃和1850℃),必須要保證具有足夠的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時(shí)間才能發(fā)生再結(jié)晶,同時(shí)較高含量粘結(jié)劑可有效避免燒結(jié)過程中樣品發(fā)生較大變形,從而保持樣品形狀基本不變。(2)研究了鈦酸鍶/石墨烯復(fù)合材料的制備及其室溫?zé)犭娦阅�。在納米鈦酸鍶粉體中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石墨烯,以10wt.%的固體石蠟作為粘結(jié)劑,利用壓片機(jī)壓制成型,在1250℃保溫6小時(shí)條件下燒結(jié)制備出鈦酸鍶/石墨烯復(fù)合熱電材料。研究發(fā)現(xiàn)含2wt.%石墨烯的鈦酸鍶復(fù)合材料中,獲得了最高的室溫Seebeck系數(shù)(-156.4μV·K~(-1))、電導(dǎo)率(201.1 S·cm~(-1))和ZT值(0.0492)。含3wt.%的石墨烯的鈦酸鍶復(fù)合材料中獲得了最低的熱導(dǎo)率(2.596 W·m~(-1)K~(-1))。石墨烯的加入有效提升了鈦酸鍶基體的電導(dǎo)率和載流子濃度,同時(shí)也降低了鈦酸鍶基體的Seebeck系數(shù),這可能源于石墨烯將鈦酸鍶顆粒包覆起來(lái)形成導(dǎo)電通道。鈦酸鍶基體熱導(dǎo)率的降低主要源于密度減小,粘結(jié)劑(固體石蠟)在燒結(jié)過程中分解、蒸發(fā),在基體內(nèi)部形成大量孔隙。(3)研究了具有多種成分復(fù)合合成的氧化鈦(TiO_x)材料的熱電性質(zhì)。在納米TiO_2粉末中添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的固體石蠟作為粘結(jié)劑,利用壓片機(jī)壓制成型,在1250℃保溫6小時(shí)條件下燒結(jié)制備出TiO_x材料。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)固體石蠟的添加量為15wt.%時(shí),TiO_x材料中TiO、Ti_3O_5和TiO_2的含量分別為51.6wt%、41.0wt.%和7.4wt.%,獲得了最高的Seebeck系數(shù)(-98.3μV·K~(-1))、功率因子(115.9μW·m~(-1)K~(-2))和最高的ZT值(0.0078)。當(dāng)固體石蠟的添加量為20wt.%時(shí),獲得了最高的電導(dǎo)率(226.4 S·cm~(-1))。當(dāng)固體石蠟的添加量為25wt.%時(shí),獲得的了最低的熱導(dǎo)率(0.92 W·m~(-1)K~(-1))。由于固體石蠟在燒結(jié)過程中的分解、蒸發(fā),在TiO_x基體內(nèi)形成了大量孔隙結(jié)構(gòu),同時(shí)固體石蠟分解產(chǎn)生的碳反應(yīng)了TiO_2中的部分氧,生成非化學(xué)計(jì)量比的TiO_x,固體石蠟的添加量越多,樣品中的TiO的含量越高,同時(shí)材料的密度也越小,這有利于熱導(dǎo)率的降低。還發(fā)現(xiàn),Seebeck系數(shù),電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率三種很難同時(shí)提升,ZT值的提高不能單純的提高某一因素,而是需要尋找到三個(gè)因素間最佳的量值。
【圖文】：

圖1-1 Seebeck效應(yīng)，Pletier效應(yīng)和 Thomson效應(yīng)原理圖[37]人們對(duì)于這三種物理現(xiàn)象非常感興趣，當(dāng)時(shí)主要是利用金屬材料對(duì)于這三種熱電效應(yīng)進(jìn)行了探索性的研究。但是人們發(fā)現(xiàn)金屬材料的熱導(dǎo)率太高，導(dǎo)致熱電性能極差，所以熱電設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換效率極低，使用價(jià)值受到很大的限制。因此，在發(fā)

所以受到高度重視。目前，熱電材料主要的運(yùn)用有三個(gè)方向[62]：(1)熱電偶測(cè)量溫度，(2)溫差發(fā)電機(jī)用于發(fā)電，，(3)熱電制冷設(shè)備用于散熱或者制冷。其中溫差發(fā)電機(jī)是以Seebeck效應(yīng)為原理，具體的工作原理如圖1-2所示，圖1-2 溫差發(fā)電機(jī)原理圖[63]圖1-2 為溫差發(fā)電機(jī)裝置的原理圖。如圖所示，將p型和n型兩種不同種類的半
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TB34

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本文編號(hào)：2596210