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      用Cr取代Co提高Ca3Co4O9的熱電性能

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      【引言】

      由于眾所周知的塞貝克效應,熱電材料可以將溫差直接轉化為電能。這一重要特性已引起人們對這類材料的廣泛重視,以便將其應用于余熱回收裝置或太陽能熱電發電機。此外,它們還可以用作加熱/制冷設備。高性能熱電材料應具有較大的塞貝克系數和較低的電阻率和導熱系數。低電阻率是必要的,以盡量減少焦耳加熱,而低導熱率有助于在熱電裝置的冷熱側之間保持較大的溫度梯度。

       

      【成果介紹】

      J. C. Diez等人采用經典的固態法合成了含少量鉻的Ca3Co4-xCrxO9多晶熱電陶瓷。微觀結構表征表明,所有Cr均被納入Ca3Co4O9結構中,Cr含量不大于0.05時未產生含Cr的二次相。表觀密度測量表明所有樣品都非常相似,密度約為理論密度的75%。在50 °C至800 °C的氦氣氛圍下,使用Linseis的塞貝克系數/電阻測量儀LSR-3測試了樣品的電阻率和塞貝克系數。當鉻含量增加時電阻率降低,塞貝克系數略有提高,直至鉻加入量達到0.05為止。這兩種參數的改進使得功率因數比傳統的固相法得到更高的值。

       

      【圖文導讀】

      圖片 (1).png 

      圖1 Ca3Co4-xCrxO9樣品的粉末X射線衍射圖譜,X分別為(a)0.00、(b)0.01、(c)0.03、(d)0.05和(e)0.10;

      圖片 (2).png

      圖2 掃描電鏡顯示0.05 Cr取代試樣斷口形貌為隨機取向的層狀晶粒。

      圖片 (3).png 

      圖3 0.03 Cr取代樣品拋光段的掃描電鏡分析。黑點表示塊狀物質的孔隙度

      圖片 (4).png 

      圖4 用掃描電鏡對0.10 Cr取代試樣的拋光段進行了近距離觀察。灰色對應于Ca3Co4-xCrxO9和Ca3Co2O6相(#1),而深灰色對應于Ca1-xCrxO固溶體(#2)

      圖片 (5).png 

      圖5 不同Cr含量的Ca3Co4-xCrxO9試樣中電阻率隨溫度的變化,X分別為()0.00、()0.01、(■)0.03、()0.05和()0.10

      圖片 (6).png 

      圖6 不同Cr含量的Ca3Co4-xCrxO9試樣中塞貝克系數隨溫度的變化,X分別為()0.00、()0.01、(■)0.03、()0.05和()0.10

       


       

      圖7 不同Cr含量的Ca3Co4-xCrxO9試樣中功率因數隨溫度的變化,X分別為()0.00、()0.01、(■)0.03、()0.05和()0.10

       

      【結論】

      本文表明Cr可以在不改變晶體結構和改善熱電性能的情況下,以較小的比例(x≤0.05)取代Ca3Co4-xCrxO9中的Co。由于Ca1-yCryO非熱電二次相的形成,進一步加入Cr會降低熱電性能。根據在50 °C和800 °C時的測定的功率因數的值,確定了Co取代Cr的最佳含量為摻有0.05 Cr的樣品,功率因數在50 °C和800 °C時的最大值分別為0.11 mW/K2和0.25 mW/K2,比未摻雜樣品高25%左右


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