高性能择优取向纳米晶热电氧化物陶瓷及其复合材料的制备与表征

高性能的热电材料能够将废热直接转化成电能，在废热利用和环境保护方面具有极大的应用潜力。本项目将采用静电纺丝法，合成一系列成分、晶粒尺寸可控且具有芯壳、空心等结构的纳米晶热电氧化物纤维，并使用带导电探针和针尖加热模块的原子力显微镜对纳米纤维的微观热电性能进行系统的表征。我们也将采用SPS 烧结技术对制备的纳米纤维粉体进行加工成型，制备出晶粒尺寸小于50 nm且具有择优取向的纳米晶热电氧化物陶瓷，从而通过增强声子晶界散射大幅度降低纳米晶陶瓷的热导系数，提高其热电优值和能量转换效率。在此基础上，我们将系统地研究烧结工艺的过程参数、掺杂和第二相复合对纳米晶陶瓷微观结构和宏观热电性能的影响，力争在热电氧化物陶瓷中实现ZT 值高于1.2。

近年来热电材料的理论和实验研究都表明，纳米结构能够有效提高材料热电转换效率。为此在实验上，我们研究了不同掺杂成分对Ca3Co4O9热电氧化物纳米晶粉体形貌及性能的影响；制备出了并行排列的PN型复合热电材料陶瓷纤维，同时采用水热法制备了一系列不同掺杂成分的硫化铅和硫化铋基纳米晶粉末，并测试了其块体材料的热电性能。理论上我们基于等效夹杂方法和相场模拟研究了热电复合材料体系释出物的形貌和取向；采用第一性原理结合玻尔兹曼理论对新型热电材料的电子结构以及热电性能进行了计算。相关研究工作，已在Journal of Annoy and Compound、Nanoscience and Nanotechnology Letters、Acta Materialia、Applied Physics Letters、Journal of Materials Chemistry A、Journal of Applied Physics等期刊发表SCI论文10篇。