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CNT分散和钠掺杂Bi₂Ba₂Co₂OY复合材料的增强热电性能研究

发布:林赛斯(上海)科学仪器有限公司
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【引言】

氧化物TE材料是一种重要的TE材料,与合金TE材料相比,它能承受更高的温度和氧腐蚀。Bi2Ba2Co2Oy材料正是一种p型氧化物TE材料。Bi2Ba2Co2Oy单晶材料具有良好的TE性能,但由于电阻率的增加,Bi2Ba2Co2Oy多晶陶瓷的ZT值明显降低。考虑到多晶材料制备的方便性,人们已经做了许多努力改善Bi2Ba2Co2Oy多晶陶瓷的TE性能。


【成果介绍】

在300K~950K范围内,研究了Bi2Ba2Co2Oy和Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy+x wt%碳纳米管(CNT;x=0.00、0.05、0.10、0.15、0.5和1.0)的热电性能。用X射线粉末衍射仪(XRD)对合成样品的相结构进行了表征;采用SEM观察断口微观结构;采用LSR-3/800型 赛贝克系数/电阻测量系统(Linseis,德国)测量Seebeck系数和电阻率;利用LFA 1000(Linseis,德国)激光闪光法在几个温度点测量热扩散系数;使用STA PT1650(Linseis,德国)测量热容。少量的Na掺杂对降低电阻率起到了重要作用,使Seebeck系数和热导率略有降低。碳纳米管分散剂提高了电阻率,但明显降低了热导率。特别是,Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy+1.0wt%碳纳米管样品在923K时表现出0.39WK−1m−1的超低导热率。这是由于钠掺杂引起的点缺陷和碳纳米管分散剂引起的界面散射所致。钠掺杂和碳纳米管分散相结合对热电性能有较好的影响。Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy+0.5wt%CNT样品在923K时的无因次优值为0.2,比未掺杂Bi2Ba2Co2Oy样品提高了78.2%。


【图文导读】

图1:Bi2Ba2Co2Oy 和Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy+x wt%CNT(x=0.00、0.05、0.10、0.15、0.5和1.0)样品的XRD图谱。

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图2:(a)和(b)分别为Bi2Ba2Co2Oy和Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy+1.0wt%CNT样品的SEM图像。(c)Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy+1.0wt%CNT样品的EDS。

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图3:Bi2Ba2Co2Oy陶瓷样品和Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy+x wt%CNT(x=0.00、0.05、0.10、0.15、0.5和1.0)复合材料电阻率的温度依赖性。

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图4:Bi2Ba2Co2Oy陶瓷样品和Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy+x wt%CNT(x=0.00、0.05、0.10、0.15、0.5和1.0)复合材料的Seebeck系数的温度依赖性。

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图5:Bi2Ba2Co2Oy陶瓷样品和Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy +x wt%CNT(x=0.00、0.05、0.10、0.15、0.5和1.0)复合材料功率因数的温度依赖性。

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图6:Bi2Ba2Co2Oy陶瓷样品和Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy +x wt%CNT(x=0.00、0.05、0.10、0.15、0.5和1.0)复合材料导热系数的温度依赖性。

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图7:Bi2Ba2Co2Oy陶瓷样品和Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy +x wt%CNT(x=0.00、0.05、0.10、0.15、0.5和1.0)复合材料ZT值的温度依赖性。

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【结论】

钠元素掺杂和碳纳米管分散剂的加入对Bi2Ba2Co2Oy样品的热电性能有重要影响。少量Na元素掺杂显著降低了样品的电阻率,而Seebeck系数和热导率略有降低。碳纳米管分散剂可以显著降低导热系数。因此,碳纳米管分散和钠掺杂Bi2Ba2Co2Oy复合材料的热电性能得到了很大的提高。在923k时,Bi1.975Na0.025Ba2Co2Oy+0.5wt%CNT样品的ZT值达到0.2,比未掺杂Bi2Ba2Co2Oy样品的ZT值高78.2%。这些结果是迄今为止Bi2Ba2Co2Oy基陶瓷所获得的较好结果之一。



2020-06-19
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