创新实践文献综述 (4).doc

佳木斯大学大学生科技创新实践文献综述摘 要热电材料又称温差电材料，是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料。其工作原理是固体在不同温度下具有不同的电子激发特征，当热电材料两端存在温差时，材料两端电子激发数量的差异将形成电势差电压。由于具有低成本和环境友好等方面的天然优势，氧化物热电材料作为一种新型能源材料日益受到重视。本文纠正了Ca2Co2O5氧化物热电陶瓷材料的制备过程，指出了Ca2Co2O5氧化物热电陶瓷材料的制冷性能差。关键词：溶胶凝胶法；固相混合；致密度；Ca2Co2O5粉末 AbstractThermoelectric materials also called thermoelectric materials， is a kind of using solid internal carrier movement for thermal energy and electrical energy direct conversion of functional materials.Its working principle is a solid at different temperature with different electrons excitation characteristics, when the thermoelectric materials when there is a temperature difference on both ends of the material on both ends of the electrons inspire number difference would be a potential difference .Because of its low cost and environmental friendly natural advantages, oxides thermoelectric materials as a kind of new energy materials is becoming more and more attention.The preparation process of Ca2Co2O5 oxide thermoelectric ceramic materials was corrected, and the cooling performance of Ca2Co2O5 oxide thermoelectric ceramic materials was pointed out.Key Words: Sol gel method; Solid phase mixing; Density; Ca2Co2O5 powder目 录摘 要IAbstractII1. 课题的目的和意义11.1 课题的目的11.2 课题的意义12. 课题背景23. 文献综述33.1热电陶瓷材料的发展概况33.2热电陶瓷制作条件33.3热电陶瓷的材料性能34. 本领域存在的问题55本课题主要研究内容66研究方案7参考文献10不要删除行尾的分节符，此行不会被打印第 III 页1. 课题的目的和意义1.1 课题的目的随着工业化进程的加快，全球性环境恶化和能源危机正严重威胁着社会的长期稳定发展，人们迫切需要寻找新型绿色能源取代传统化石燃料，热电材料引起了研究者们的广泛关注。热电材料是一种先进的能量转换材料，通过载流子的移动能静态地进行热能与电能的相互转换。利用热电材料制备的发电器、致冷器、传感器等元件具有体积小、重量轻、结构简单、无化学反应、无介质泄漏、无噪音、无磨损、移动方便、使用寿命长等优点，已应用于军事、航天等高科技领域，在废热发电、医学恒温、小功率电源、微型传感等民用领域也有着广泛的应用。Ca-Co-O体系氧化物热电材料由于具有较高的电导率和较大的Seebeck系数，以及使用温度区间广、耐腐蚀、抗氧化、无毒性等特点受到了广泛关注。1.2 课题的意义制备Ca-Co-O系氧化物陶瓷材料的方法有很多，本文采用溶胶-凝胶法和固相反应法将制备出了三种Ca-Co-O体系氧化物热电陶瓷，再利用脉冲激光沉积技术（PLD）选择合适的陶瓷靶材在不同衬底上制备出Ca-Co-O体系氧化物热电薄膜，为Ca-Co-O体系氧化物热电材料的热电性能的提高开辟了一条新的途径1。2. 课题背景 随着可开发性能源的日益减少和环境污染问题的日趋严重，热电陶瓷作为一种能够实现热能和电能之间直接转换的功能陶瓷，其研究越来越受到重视。随着社会的高速发展，人类对能源需求量日益增加。尤其是进入21世纪以来，城市化和工业化的日益普及，能源危机更加严峻，环境污染愈显突出，已成为当今世界的两大难题。因此，寻找新型能源和新型能源材料，势在必行。热电材料是一种能实现热能和电能直接相互转化的新型环保型功能材料。热电材料尤其是钴基热电氧化物材料具有无毒、无污染、无噪音、高温稳定性好等优点，在废热回收利用、太阳能吸收、以及热管理等方面具有广泛的应用前景。因此，近年来，热电材料已引起了广大研究者的密切关注2-4。陶瓷材料具有良好的耐高温耐腐蚀性能、强度高、硬度高，是优良的高性能材料。随着陶瓷材料学的发展，其制备技术也越来越多，陶瓷材料的性能也逐步得到提高。陶瓷材料可以用到空间探测、航空航天等高技术领域中5。 陶瓷材料的原子通过共价键、离子键结合，而金属材料通过金属键相结合，所以陶瓷材料与金属材料有完全不同的性质。陶瓷材料在常温下对剪切应力的变形阻力很大，且硬度很高。由于陶瓷晶体是由阳离子和阴离子以及它们之间的化学键组成的，化学键具有方向性、原子堆积密度低、原子间距大，使陶瓷显示出很大的脆性，加工产生的缺陷多，所以是典型的难加工材料。发展高效低成本的加工技术十分重要。 热电材料是能够使热能与电能直接相互转化的材料,它的出现为制造无污染、无机械运动、高效率的发电和制冷设备提供了广阔前景。随着环境和能源问题日益突出,热电材料越来越受到人们重视。在其发展过程中热电材料涌现出诸多种类,本文对热电材料近年来研究进展进行了介绍和简要评述。 随着社会的高速发展，人类对能源需求量日益增加。尤其是进入21世纪以来，城市化和工业化的日益普及，能源危机更加严峻，环境污染愈显突出，已成为当今世界的两大难题。因此，寻找新型能源和新型能源材料，势在必行。热电材料是一种能实现热能和电能直接相互转化的新型环保型功能材料。热电材料尤其是钴基热电氧化物材料具有无毒、无污染、无噪音、高温稳定性好等优点，在废热回收利用、太阳能吸收、以及热管理等方面具有广泛的应用前景。因此，近年来，热电材料已引起了广大研究者的密切关注6-9。3. 文献综述热电材料(又称温差电材料)是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能的直接相互转化的功能材料。其工作原理是固体在不同温度下具有不同的电子(或者空穴)激发特征，当热电材料两端存在温差时，材料两端电子(或者空穴)激发数量的差异将形成电势差(电压)。由于具有低成本和环境友好等方面的天然优势，氧化物热电材料作为一种新型能源材料日益受到重视10,11。热电材料是一类能够驱动热能和电能之间转换的特殊功能材料,它具有Seebeck效应,Peltier效应和Thomson效应13。热电材料是一种利用固体内部载流子运动直接实现热能和电能相互转换的功能材料,在温差发电和制冷方面具有广泛的应用前景。随着全球性环境恶化和能源危机等日益威胁人类生活,人们正迫切寻找绿色环保的新型能源。因此热电材料成为新能源材料的热点之一。热电发电或制冷装置具有结构紧凑、可靠性高,工作时无噪音、寿命长、无污染等优点,其应用范围涉及到民用、军用和航空航天等诸多领域。氧化物热电材料具有原料低成本、高温稳定、无污染等优点,成为热电材料领域一个比较新的研究方向。因此氧化物热电材料被认为是少数几种低成本、清洁、绿色新能源热电材料之一,在未来人类生活具有良好的发展前景。设计和开发高性能热电材料及器件是研究者的主要目标。热电材料的性能主要取决于无量纲的热电优值ZT,ZT值越大,能量转换效率越高。因此高性能热电材料不仅需要高的优值系数,同时也应具备高的功率因子。热电材料是一种将热能和电能直接转换的功能材料,在热电发电和热电制冷领域有广阔的应用前景。Ca-Co-O体系氧化物热电材料由于具有较高的电导率和较大的Seebeck系数,以及使用温度区间广、耐腐蚀、抗氧化、无毒性等特点受到了广泛关注。目前Ca-Co-O体系氧化物热电材料的研究主要集中于体材料的制备与研究,而最近量子禁闭效应的提出给该类材料提供了一个新的低维化的研究领域,这是因为低维化一方面大大降低了晶格热导率,另一方面在维持高的电导率的同时,使得Seeback系数变化不大14-16。3.1热电陶瓷材料的发展概况从1823年Thoums Seebeck发现热电效应到今天已有180多年的历史，其间人们一直不断探求和开发其可能的工业用途。热电偶是其中最为成功的例子 17。但由于金属的热电效应相当微弱，不能作为能量转换装置。而真正将这一效应发展为有使用意义的能量转换装置则是在20世纪50年代。3.2热电陶瓷制作条件热电材料存在制备条件要求较高，需在一定的气体保护下进行，不适于在高温下工作以及含有对人体有害的重金属等缺点18。3.3热电陶瓷的材料性能寻找具有较高Seebeck系数的材料材料的Seebeck系数与材料的晶体结构学组成及能带结构等有关。提高材料的电导率通过提高载流子浓度和载流子迁移率可以提高材料的电导率。降低材料热导率材料的热导率由两部分构成，一部分是电子热导率;另一部分是声子热导率。热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料，在温差发电和制冷方面具有广泛的应用前景。随着环境问题和能源危机日益严重，热电材料成为新能源材料的热点之一。利用热电发电或制冷装置具有结构紧凑、可靠性高、无污染、寿命长、工作时无噪音等优点，其应用范围涉及到民用、军用和航空航天等诸多领域。氧化物热电材料具有原料成本经济、高温稳定性好、无毒无污染等优点，被认为是少数几种低成本、清洁、绿色新能源热电材料之一，具有很好的发展前景。热电材料的性能主要取决于无量纲的热电优值ZT， ZT值越大，能量转换效率越高。ZT=S2/k，其中S、k分别为Seebeck系数、电导率和热导率。而分子部分S2称为功率因子(PF)，是衡量热电输出功率的参数。因此高性能热电材料不仅需要高的优值系数，同时也应具备高的功率因子19-20。4. 本领域存在的问题它具有的不可媲美的优点,作为在特殊场合下使用的电源已经普及应用。它在工业余热、废热和低品味热温差发电方面也具有很大的潜在应用12。热电制冷是利用Peltier效应，当电流流过热电材料时，将热能从低端排向高温端，不需要压缩机，也不需要氟利昂等制冷剂。其作用速度快，使用寿命长，并且借助于其它技能制冷又能加热的特点可方便地实现温度时序控制。如制冷设备可以应用于医学、高性能接收器和高性能红外传感器等方面，同时还可以为电子计算机、广通讯及激光打印机等系统提供恒温环境。但它的制冷功能差，如果能实现较高的制冷效率，就可以替代目前用氟利昂制冷的压缩机制冷系统，有利于保护环境。这是现在热电材料研究的热点。另外，热电制冷材料一个可能具有实际应用意义的场合是为超导材料的使用提供低温环境。因为这两类热电设备都无振动、无噪音，也无磨损、无泄漏，体积小、重量轻，安全可靠寿命长，对环境不产生任何污染，是十分理想的电源和制冷器。5本课题主要研究内容 本课题主要研究以下内容：（1）通过溶胶凝胶法（Sol-Gel）制备Ca2Co2O5氧化物陶瓷；（2）研究固相法制备Ca2Co2O5氧化物陶瓷；（3）研究Ca2Co2O5热电材料的表征。 6研究方案 (1)溶胶凝胶法（Sol-Gel）制备Ca2Co2O5氧化物陶瓷 ；（2）固相法制备Ca2Co2O5氧化物陶瓷 ；（3）Ca2Co2O5热电材料的表征 ；（4）致密度测试：在电子分析天平上准确称取样品质量为W空。然后将样品全部侵入蒸馏水中，浸泡18 h，将侵满水的试样放在流动的空气中风干，将风干的试样放在电子分析天平上测量质量为W水，根据下式计算式样的致密度： =W空/W水 (6-1)式中，是致密度；W空是样品净质量；W水是风干的试样质量16，17。 均勻沉淀法是制备氧化物材料的常用方法之一，与固相反应法、溶胶凝胶法、高能球磨法相比，该法可有效控制实验过程的成核条件，原料可达到离子级别均勾混合，节约能耗，获得的颗粒均勾，结晶较好，纯净且容易过滤沉淀。因此，本研究准备采用均勻沉淀法制备粉体。取一定配比的销酸钙、销酸钴和脲素，加入去离子水(80ml)，并撹拌混均匀5min，制成混合溶液。然后倒入高压反应釜（100ml）中，置于集热式磁力搅拌器中，边磁力搅拌边水浴加热，从室温升到90，保温3h。于集热式磁力搅拌器中自然冷却后，过滤并釆用去离子水和无水乙醇洗涤，接着在下干燥，得紫红色前驱体。将干燥后结块的前驱体适当研磨混匀后，放入坩埚中，然后置于电阻炉中，空气气氛下，以5/min升温速率升至800，并保温8h，于炉中自然冷却后，得黑色粉末状Ca2Co2O5粉体。图6-1 Ca2Co2O5制备图Ca2Co2O5陶瓷销酸钙过滤、干燥干燥煅烧压块成型烧结水浴搅拌加热溶解、搅拌、混合 销酸钴和脲素 参考文献1 王海东.匀沉淀法制备Ca2Co2O5粉体材料J.中南大学学报(自然科学版),2013,44(6):123-125. 2 NAKARSUGAWA H.IGUCHIE.J.MATERLETT,2002,53:221-226. 3 MoonJW,MasudaY,SeoWS,et al.J.MaterLett,2001,48:225-229.4 王中林,康振川.功能与智能材料结构演化与结构分析M.北京:科学出版社,2002.5 高敏,张景韶.温差电转换及其应用M.北京:兵器工业出版社,1996. 6 曾令可,漆小玲,王慧,等.氧化物热电材料热导率的研究J.硅酸盐通报,2009,17(3):17-18.7 李红星,赵新兵,李伟文.新型热电材料研究进展J.材料学报,2002,16(6):21-23.8 南军,赵淑金,邓元,等.Ca3Co4O9陶瓷的制备和热电性能J.硅酸盐学报,2003,2(24):245-249.9 徐桂英,葛吕纯.热电材料的研究和发展方向J.材料导报,2000,11(6):39-40.10 张爱波,刘建睿,李岚,等.柠檬酸溶胶-凝胶燃烧法制备LiNi5Co5O2J.精细化工,2006,23(5):421-423.11 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