放電等離子燒結(jié)（SPS）制備層狀鈷基氧化物熱電材料.pdf

1、熱電材料是一種將熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的功能材料，在熱電發(fā)電和熱電制冷領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。鈷基熱電氧化物具有較高的電導(dǎo)率和較大的Seebeck系數(shù)，受到了廣泛關(guān)注。目前鈷基氧化物的制備多采用固相反應(yīng)法，反應(yīng)周期長(zhǎng)，而且熱電性能較低。本文首次采用液相化學(xué)法和放電等離子燒結(jié)技術(shù)快速制備了鈷基氧化物，為鈷基氧化物熱電性能提高開(kāi)辟了一條新途徑。 以Ca2Co2O5和Ca3Co4O9為研究對(duì)象，采用差熱—熱重分析儀、紅外光譜、X射線衍射、掃

2、描電子顯微鏡、透射電子顯微鏡、電參數(shù)測(cè)試儀、激光熱導(dǎo)儀等先進(jìn)手段，分別對(duì)制備工藝、顯微結(jié)構(gòu)和熱電性能進(jìn)行了研究。 采用化學(xué)共沉淀和放電等離子燒結(jié)制備了Ca2Co2O5化合物。研究表明，沉淀前驅(qū)物經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間高溫煅燒，也很難得到純相Ca2Co2O5。前驅(qū)物短時(shí)間預(yù)燒后，經(jīng)放電等離子燒結(jié)制備了純相Ca2Co2O5。預(yù)燒后粉體的組成為Ca2Co2O5、CaO和Co3O4，燒結(jié)過(guò)程中CaO和Co3O4反應(yīng)生成Ca2Co2O5。放電等離子燒結(jié)

3、促進(jìn)了反應(yīng)的進(jìn)行。燒結(jié)體形成織構(gòu)，片狀晶粒沿(001)面定向排列。 系統(tǒng)研究了不同沉淀劑對(duì)Ca2Co2O5制備工藝和熱電性能的影響。以NaOH為沉淀劑時(shí)，共沉淀最終pH值為13.20可以得到化學(xué)計(jì)量比的前驅(qū)物。該前驅(qū)物在700-850℃預(yù)燒2h后，SPS燒結(jié)溫度為750-900℃，壓力30MPa，可以獲得純相Ca2Co2O5化合物。其中，測(cè)試溫度700℃時(shí)，750℃煅燒2h后粉體經(jīng)SPS800℃燒結(jié)5min樣品的熱電優(yōu)質(zhì)ZT為0

4、.21，極大地提高了固相法制備產(chǎn)物0.02的ZT值。以(NH4)2C2O4為沉淀劑，共沉淀前驅(qū)物800℃預(yù)燒6h或8h后，放電等離子燒結(jié)在溫度850℃，壓力30MPa，可以獲得純相Ca2Co2O5化合物。700℃時(shí)，800℃預(yù)燒8h粉體燒結(jié)樣品的熱電優(yōu)質(zhì)ZT為0.22。以Na2CO3為沉淀劑，前驅(qū)物經(jīng)850℃預(yù)燒8h后，850℃放電等離子燒結(jié)，壓力30MPa，所得樣品ZT為0.12。 利用溶膠—凝膠法和放電等離子燒結(jié)制備了Ca3

5、Co4O9塊體，片狀晶粒沿(001)面定向排列。研究了不同制備工藝對(duì)熱電性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，干凝膠800℃煅燒2h，燒結(jié)溫度850℃，檸檬酸的用量為1：1，Ca3Co4O9塊體具有較好的熱電性能。700℃時(shí)，ZT值為0.30。 采用檸檬酸溶膠-凝膠法與放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備了Ca2Co2O5塊體。干凝膠經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間高溫煅燒，不能獲得純相Ca2Co2O5化合物。干凝膠經(jīng)800℃煅燒5h，再經(jīng)放電等離子燒結(jié)800℃保溫5min得到

6、純相Ca2Co2O5燒結(jié)體，0.8-1μm片狀晶粒沿(001)面定向排列。干凝膠經(jīng)800℃煅燒5h后粉體的成分為Ca3Co4O9和CaO，在放電等離子燒結(jié)過(guò)程中，CaO填入Ca3Co4O9的空穴中，生成Ca2Co2O5。測(cè)試溫度700℃時(shí)，Ca2Co2O5的熱電優(yōu)值ZT為0.19。 采用液相化學(xué)法和放電等離子燒結(jié)制備Ca2Co2O5，放電等離子燒結(jié)過(guò)程不單純是一個(gè)致密化的過(guò)程，燒結(jié)的同時(shí)發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)。Ca2Co2O5中的Co元