AgNWs/Al0.02Zn0.98O陶瓷的制备及热电性能研究

作     者：王振荣 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：宋英

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：Al0.02Zn0.98O 冷烧结 助烧剂 纳米复合 AgNWs 

摘      要：热电材料是一种依靠材料内载流子的运动来实现热能和电能直接相互转换的新型能源材料。氧化锌基热电材料由于其化学稳定性好、塞贝克系数高等优点有望成为高温n型热电材料。但其电导率偏低,限制了材料的热电应用。本论文在优化AlZnO粉体的溶剂热合成工艺和烧结工艺的基础上,通过复合银纳米线提高其热电性能。首先,采用溶剂热法合成AlZnO纳米粉体,研究溶剂种类,矿化剂Na OH浓度,溶剂热反应温度以及溶剂热时间对粉体组成和形貌的影响,确定合成AlZnO粉体的最佳工艺条件为:溶剂为无水乙醇,矿化剂Na OH浓度为1.5 mol/L,溶剂热温度为150℃,溶剂热时间为24 h。其次,采用固相烧结工艺在氮气惰性气氛中制备AlZnO陶瓷,研究烧结温度对样品的组成,微观形貌和热电性能的影响。高温有利于陶瓷实现致密化,随着烧结温度的升高,AlZnO陶瓷的晶粒长大、致密度增加,热电性能随烧结温度的增加而提高。当测试温度为500℃时,1400℃固相烧结样品的功率因子最大,为8.89×10W·m·K,是1300℃固相烧结样品最大功率因子的3.9倍。为降低陶瓷烧结温度,首先探究助烧剂BO的添加量对AlZnO陶瓷烧结性能和热电性能的影响。结果表明,添加BO可以在烧结过程中提供液相环境,促进晶粒长大,有效降低烧结温度并获得较好热电性能。当BO的加入量为0.5 wt%时,1300℃液相烧结AlZnO陶瓷的致密度最高,为96.65%;测试温度为500℃时,其最大功率因子为1.76×10W·m·K,是1300℃固相烧结样品最大功率因子的7.71倍;在此基础上,进一步采用冷烧结工艺,可将AlZnO陶瓷的烧结温度降至1200℃。1200℃冷烧结制备的样品致密度可达99.11%,其功率因子在500℃的测试温度下达到最大,为2.72×10W·m·K,是1300℃固相烧结样品最大功率因子的11.98倍。通过溶剂热法合成导电性好,长径比高的银纳米线(AgNWs),其长径比最高可达1000。研究Ag NWs的加入量对AlZnO陶瓷的组成、形貌及热电性能的影响。研究发现,随着Ag NWs的加入,样品的电导率大幅提高。当Ag NWs添加量为2 wt%时,在室温～500℃测试范围内,样品的电导率均比冷烧结和液相烧结制备的样品的电导率大,当测试温度为500℃时最大,为2.45×10S/m,是1300℃固相烧结制备的AlZnO陶瓷样品的16.54倍;其功率因子最大,为1.12×10W·m·K,是1300℃固相烧结制备的AlZnO陶瓷样品的48.98倍;是相同烧结工艺制备的未添加Ag NWs的AlZnO陶瓷最高功率因子的4.11倍。