Cu2SnSe3基熱電復(fù)合材料的制備與性能研究.pdf

1、熱電材料是一類基于熱電轉(zhuǎn)化效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)熱與電之間相互轉(zhuǎn)化的能源材料。體積小，無污染，無噪音，無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)，壽命長等眾多的優(yōu)點(diǎn)賦予了熱電材料經(jīng)久不衰的發(fā)展?jié)摿?，熱電材料在熱電制冷以及溫差發(fā)電中有著不可替代的角色。具有類金剛石結(jié)構(gòu)的三元銅基Cu2SnSe3材料因其具有較低的熱導(dǎo)率以及可調(diào)控的電性能而成為中高溫區(qū)極具潛力的熱電材料之一。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴利用真空熔融法制備Cu2SnSe3化合物，對該制備工藝的可行性以及最佳制備工

2、藝參數(shù)進(jìn)行了探索，并研究了Cu2SnSe3在高溫下的熱穩(wěn)定性。為進(jìn)一步優(yōu)化Cu2SnSe3的熱電性能，采用球磨工藝在Cu2SnSe3中分別引入納米ZnO、TiO2、WO3顆粒以及石墨烯第二相，結(jié)合放電等離子(SPS)燒結(jié)技術(shù)制備塊體Cu2SnSe3基復(fù)合材料。通過X射線衍射分析(XRD)、場發(fā)射掃描電鏡(FESEM)及透射電鏡(TEM)等多種分析測試手段研究了復(fù)合材料的相組成及微觀結(jié)構(gòu)。通過對Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率及熱導(dǎo)率等性能的測

3、試研究了添加不同量第二相對Cu2SnSe3基熱電材料性能的影響。⑵在1273K保溫12h后淬火，然后在923K退火2天制備出單相Cu2SnSe3三元化合物。對Cu2SnSe3在高溫下進(jìn)行TG/DTA測試，結(jié)果顯示Cu2SnSe3在973K以前具備較好熱穩(wěn)定性。⑶制備了ZnO/Cu2SnSe3熱電復(fù)合材料，并對其熱電性能進(jìn)行了分析。研究結(jié)果顯示復(fù)合材料的電導(dǎo)率在整個(gè)測試溫度范圍內(nèi)得到有效提高。添加1.8vol.％ ZnO的復(fù)合材料因具有較

4、高的載流子遷移率而獲得最高電導(dǎo)率，然而其Seebeck系數(shù)得到了顯著的降低，電導(dǎo)率的提高遠(yuǎn)不足以彌補(bǔ)Seebeck系數(shù)的降低，從而惡化了材料的功率因子。較高的載流子熱導(dǎo)率使復(fù)合材料具有較高的總熱導(dǎo)率。綜合以上分析得出:當(dāng)納米ZnO添加量為0.4vol.％及1.0vol.％的復(fù)合材料在700K獲得最大熱電優(yōu)值(ZT)為0.179，較基體相材料提高了8％。⑷制備了TiO2/Cu2SnSe3熱電復(fù)合材料，并對其性能進(jìn)行了全面的分析。分析結(jié)果顯

5、示:納米TiO2顆粒主要分布在晶界處，并有效抑制了晶粒的長大，從而產(chǎn)生了大量的晶界。納米TiO2添加量為1.4vol.％的復(fù)合材料中，電導(dǎo)率得到提高的同時(shí)Seebeck系數(shù)得到了降低。添加其它含量TiO2的復(fù)合材料中，Seebeck系數(shù)得到了提高，然而Seebeck系數(shù)的增加不足以彌補(bǔ)電導(dǎo)率的降低，使得復(fù)合材料保持著較低的功率因子。復(fù)合材料因具有較低的載流子熱導(dǎo)率而具有較低的總熱導(dǎo)率。綜合以上分析能得出:TiO2添加量為1.0vol.％

6、的復(fù)合材料在700K取得最大ZT值為0.296，較基體相材料提高了16.5％。⑸設(shè)計(jì)并合成了WO3/Cu2SnSe3熱電復(fù)合材料，復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)分析表明:復(fù)合材料中晶粒尺寸隨著納米WO3添加量的增大而減小。納米WO3的引入可以幫助提高材料的電導(dǎo)率，但對材料熱導(dǎo)率的降低沒有做出貢獻(xiàn)。當(dāng)納米WO3的添加量不超過0.8vol.％，復(fù)合材料的功率因子得到有效的提高。添加0.4vol.％WO3的復(fù)合材料在700K獲得最大功率因子，較高的功率因

7、子使復(fù)合材料的ZT得到了有效提高，最大ZT值在700K達(dá)到0.177，相比較基體材料提高了6.2％。⑹對石墨烯/Cu2SnSe3熱電復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)以及熱電性能的測試分析結(jié)果表明:石墨烯片層嵌入在晶界處，并有效抑制了晶粒的長大，隨石墨烯添加量的增大，Cu2SnSe3的晶粒尺寸逐漸變小。復(fù)合材料的電導(dǎo)率較基體相材料得到了有效的提高，并隨石墨烯添加量的增加而增大。并且，復(fù)合材料的晶格熱導(dǎo)率得到了顯著的降低。添加石墨烯為1wt.％的復(fù)合材料