CuAlO<,2>基热电陶瓷材料微结构及其热电性能的研究

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本文通过固相反应法制备了不同烧结温度下、不同金属氧化物掺杂的CuA102基陶瓷。利用X射线粉末衍射仪以及正电子湮没寿命谱仪、正电子湮没辐射Doppler展宽谱仪等实验仪器,系统研究了烧结温度、不同金属氧化物掺杂对CuA102热电陶瓷微结构和热电性能的影响。主要的实验结果如下:   (1)XRD结果显示,以CuO和A1203为原材料通过固相反应法制备得CuAl02基陶瓷,样品中含有CuAI02和少量的CuO,没有A1203和其他杂质,且CuO含量随着烧结温度升高而降低。这说明烧结温度越高陶瓷样品中的化学成分失配率越低。因cu+空位而产生的空穴载流子导致CuA102基陶瓷电阻率降低。   (2)CuAI02基陶瓷中CuAI02晶粒随着烧结温度升高而增大,且晶粒生长方向明显呈c轴择优取向。随烧结温度升高,样品中的微孔洞尺寸增大,但微孔洞浓度则减小。室温下样品的电阻率和seebeck系数都随着烧结温度升高出现一个波谷,而其功率因子则随着烧结温度升高而降低。   (3)在CuA102基陶瓷中掺入少量的Fe(x<0.10)时,Fe3+离子取代CuAlO2结构中的AI3+离子位置,样品的Doppler展宽谱的3d信号和功率因子均增加;而样品的S参数、正电子平均寿命、电阻率和Seebeck系数均降低。这可能是因为当Fe3+离子取代CuA102结构中的AI3+离子后,样品中3d电子数增多。   (4)随Fe含量(x>0.10)的增加,FeAl204抑制CuA1204和CuO进一步反应,样品中CuAll-xFex02含量减少,样品中空位团和微孔洞的浓度增大,阻碍载流子迁移,使样品的电阻率增大,功率因子降低。   (5)在CuA102基陶瓷中掺入少量的Ca,Ca2+离子可以通过取代cu+离子位置进入CuA102结构中。随着Ca含量的增加,样品的正电子体寿命、Seebeck系数增大;而样品的体电子密度、大尺寸微孔洞的浓度减小;功率因子随Ca含量的增加先增大后减小。   (6)掺入的Mg抑制了CuAl204和CuO进一步反应生成CuAl02;掺入的Sr抑制了CuO和A1203反应,致使样品中残留有较多的CuO和A1203。掺入Mg或Sr后,样品中大尺寸微观缺陷(空位团和微孔洞)浓度增大,增高了样品的seebeck系数。   (7)CuA102陶瓷样品的室温Seebeck系数随样品中缺陷浓度升高而增大。  
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