新型Co2O3基氧化物合金复相材料体系的热电物性研究

本项目以Co2O3为基础，构造La2O3－Fe2O3－Co2O3等三元氧化物材料体系，首先经过普通陶瓷烧结制备工艺，然后再经适当还原处理，得到新型氧化物相与合金相共存的复相材料体系。本项目将此类Co2O3基氧化物合金复相材料体系作为一种新型具有较大潜力的热电材料展开研究，考察该复相体系中氧化物相与合金相各自的组分与体系热电物性的关系，研究复相体系中氧化物相与合金相各自的晶格结构、晶粒晶界分布以及二者之间的界面层等微结构因素对体系热电物性的影响机制，以最大程度发挥复相体系中合金相与氧化物相材料各自的性能优势。通过本项目研究，能够深入探索一种同时实现高Seebeck系数、高电导率以及低热导率的热电性能协同调控机制，获得一类制备工艺相对简单，原材料价格低廉，满足环保要求的较高热电性能的新材料体系，为研制高性能热电材料提出可供借鉴的理论支持和技术参考。

通过该项研究，确定了两种制备氧化物-合金复相热电材料的方法。项目组针对La2O3－Fe2O3－Co2O3材料体系，完善了“常规烧结+氢气氛还原”制备氧化物-合金复相体系的方法，制备了组分、性质均匀的La(Fe0.6Co0.4)O3 –FeCo复相体系。在此基础上项目组建立了另一种新的复相材料制备方法－“原位碳热还原法”，该方法借助碳热反应实现氧化物的原位还原并形成合金相材料。通过该方法，项目组制备了具有清晰复相结构的La(Fe0.6Co0.4)O3-FeCo、(La0.75Sr0.25)CoO3-CoCu等2大类复相材料体系。“原位碳热还原法”具有工艺可靠，组分容易控制，产物微结构均匀一致，以及两相之间界面纯净等优点，并且该方法还扩展了复相材料中合金材料的选择范围，有利于选择具有较高Seebeck系数的合金相进行复合。. 借助原位碳热还原方法，研究了一系列具有自组织纳米化Core-Shell微结构的氧化物-合金复相热电材料。通过原位碳热还原制备的复相材料体系具有自组织纳米化特征的Core-Shell微结构。微结构中Core部分以La(Fe0.6Co0.4)O3为主，Shell部分以FeCo合金为主。微结构中FeCo合金相互连通，形成导电联通网络。该种微结构具有自组织特征，由微米尺度的初始原料自然原位生成纳米化微结构。对于此类微结构，可以通过调控复相体系中的组分比例，实现微结构由岛状分散向联通网络的过渡，为研究界面散射效应提供了微结构基础。. 项目组研究了复相体系的微结构调控方法，讨论了微结构与热电物性的关联机制。该类复相体系保持了单相FeCo合金较小的电阻率，Seebeck系数却较之提高了4倍，其热电Pf值在500K附近达到550μW/mK2。复相体系Seebeck系数的提高与材料内部微结构中氧化物与合金的界面散射效应相关。考虑到不同类型材料间的界面散射效果也有所不同，针对“原位碳热还原”制备方法的特点，项目组随即研究了SrTiO3、TiO2、CaMnO3、 Co+Sb+C等4类单一相氧化物、合金材料，得到了ZT值为0.3的SrTiO3热电材料，这是目前热电性能最佳的SrTiO3基氧化物陶瓷热电材料，为实现更多种氧化物与合金的复合，制备更高性能热电复相材料打下基础。. 通过以上工作，项目组共发表SCI论文10篇。