孔隙三维空间有序排列多孔氧化物热电陶瓷的制备及性能

本项目针对氧化物热电材料热电性能提高的问题，通过对孔径和孔隙结构完全一致、孔隙在三维空间规则有序排列的多孔氧化物热电材料的设计和制备，深入理解多孔结构的形状及其排列对电学、热学及热电转换性能作用的机理，富多孔结构与材料的电学和热学性能之间的关系的理论，达到显著提高氧化物热电材料热电转换效率的目的。发展不同孔隙结构（片状、近纳米级球形、反蛋白石结构）的氧化物热电材料的可控制备技术，为获得热电性能优异的多孔氧化物热电陶瓷提供技术支撑。出采用空心树脂球为模板制备三维有序排列片状孔隙的新方法。该方法制备的孔隙结构为均匀一致的圆片，排列规则有序，其孔隙结构以及制备方法均未见其他学者报导。研制出热电性能优异的多孔氧化物热电材料，其热电性能显著高于同种成分的致密热电材料，同时有效提高氧化物热电材料的力学性能，为高性能氧化物热电材料的研制和应用开辟一个新颖、有效的途径。本项目具有重要的科学意义和应用前景。

本研究针对Ca3Co4O9+δ和CaMnO3等氧化物热电陶瓷性能提高的难题，系统研究了粉体合成、掺杂、组织优化、孔隙形状和序排列的控制对热点材料性能的影响。采用固相法制备了Ca3Co4O9+δ粉体，通过热压法制备了存在织构的致密热电陶瓷，发现材料中晶粒的各向异性对体系热电性能有显著的影响。采用溶胶-凝胶法合成了Ca3Co4O9+δ体系粉体材料，并优化了粉体制备的工艺，通过调控粉体的颗粒尺寸及分散特性，提高了其烧结活性，为钴酸盐溶胶凝-胶法制备提供了重要参考。对Ca3Co4O9+δ热电材料进行了钙位掺杂，总结了不同价态离子的钙位掺杂对(Ca1-xMx)3Co4O9+δ热电陶瓷样品电输送和热输送产生的影响机制。通过共沉淀法合成了CaMnO3材料，分析了材料合成过程中动力学过程。分析了三价稀土掺杂对CaMnO3粉体形貌和材料热电性能的影响，优化了CaMnO3热电陶瓷材料的烧结工艺，为进一步改良CaMnO3的热电性能提供了依据。提出了通过片状孔隙规则排列提高材料热电性能的新思路。以有机聚合物空心球为造孔剂，采用模板法制备了片状孔隙结构的Ca3Co4O9+δ多孔陶瓷材料，通过研究多孔结构对电学、热学的匹配性影响，优化了热电转换性能，具有重要的科学意义和应用前景。