填充方钴矿位错阵列构建与热电性能.pdf

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1、博士学位论文填充方钴矿位错阵列构建与热电性能DISLOCATIONARRAYCONSTRUCTIONANDTHERMOELECTRICPROPERTIESOFFILLEDSKUTTERUDITES孟宪福哈尔滨工业大学2018年3月国内图书分类号：TG15学校代码：10213国际图书分类号：621.78密级：公开工学博士学位论文填充方钴矿位错阵列构建与热电性能博士研究生：孟宪福导师：蔡伟教授申请学位：工学博士学科：材料物理与化学所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年3月授予学位单位哈尔滨工业大学Cl

2、assifiedIndex:TG15U.D.C:621.78DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringDISLOCATIONARRAYCONSTRUCTIONANDTHERMOELECTRICPROPERTIESOFFILLEDSKUTTERUDITESCandidate：MengXianfuSupervisor：Prof.CaiWeiAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：Material

3、sPhysicsandChemistryAffiliation：SchoolofMater.Sci.&Eng.DateofDefence：March,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要Co4Sb12基方钴矿具有较高的功率因子和优异的机械性能及热稳定性，是一类极具应用潜力的中温热电材料。但其晶格热导率较高导致热电优值较低，因此在不损伤电性能的同时降低晶格热导率是提高热电性能的最有效途径之一。本文采用液相压实和调幅分

4、解构建位错阵列，增强声子散射，降低Yb填充Co4Sb12及Ce填充和La填充Fe3CoSb12基方钴矿的晶格热导率，提高热电优值。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、综合物性测量系统、塞贝克系数/电导率测试系统以及激光导热仪等系统研究位错阵列及填充原子含量微观组织及热电输运特性的影响规律和机制。研究结果表明，采用额外加入Sb结合熔体旋甩和热压烧结的液相压实方法制备出纯相n型Yb填充Co4Sb12方钴矿，并构建了位错阵列，增强声子散射，降低晶格热导率；同时过滤低能载流子，提高功率因子。随Sb余量

5、的增加，热电优值（ZT）和平均热电优值（ZTavg）均先增大后减小，当Sb余量为20%时，ZT达最大值1.45@823K，300K~823K温度区间内ZTavg达最大值1.08。在此基础上，通过改变填充元素Yb的含量，进一步优化液相压实YbxCo4Sb12合金的热电性能。当x小于0.55时，随x的增加，合金的电导率增大、Seebeck系数的绝对值减小，功率因子先升高后降低，最佳载流子浓度随温度的升高而增大；晶格热导及总热导率降低，热电优值先增大后减小，当x=0.45时达最大值，为1.54@873K。研究指出

6、，液相压实p型Ce填充Fe3CoSb12合金中存在大量位错阵列，增强声子散射，降低晶格热导率，但对电性能无明显影响，热电优值提高。随Ce填充量的增加，载流子浓度和电导率逐渐减小、Seebeck系数逐渐增大、功率因子无明显变化；晶格热导率先降低后基本不变，总热导率降低；热电优值呈峰值效应，当x=0.8时达最大值，为1.1@723K，比相同Ce填充量的热压烧结合金提高约22%。同时该合金在300K~873K温度区间内具有最大平均热电优值，达0.77。研究发现，退火-烧结与甩带-烧结La0.8Ti0.1Ga0.1

7、Fe3CoSb12合金存在由贫La和富La方钴矿相构成的调幅组织，且两相界面处存在位错阵列。甩带-烧结合金的调幅组织明显细化，相界显著增多，位错密度增大；Seebeck系数增大、电导率无明显变化，功率因子增加；同时位错阵列增强了对声子的散射，晶格热导率降低，因此具有高的热电优值，达1.13@823K，相比退火-烧结合金提高-I-哈尔滨工业大学博士学位论文约40%。并且甩带-烧结合金经973K100h退火后，热电性能无明显变化，呈现出良好的热稳定性。关键词：填充方钴矿；液相压实；调幅分解；位错阵列；热电性能-

8、II-AbstractAbstractMedium-temperaturethermoelectricmaterialsCo4Sb12basedskutteruditespossesshighpowerfactor,excellentmechanicalpropertiesandthermalstability,whichhavegreatpotentialforapplications.However,thei