炭/炭复合材料热电效应及相关基础问题研究

Due to excellent properties and the dual nature of structure and function, carbon/carbon(C/C) composites find more and more applications. The ongoing in-depth study of thermoelectric materials reveals new traits that indicate new potential applications. The study on the thermoelectric properties of C/C composites in the project will expand the understanding of the nature of C/C composites. Since heat and electricity can be converted reversibly by means of thermoelectric effects, thermoelectric materials are becoming new energy materials that have drawn extensive attention..In the project, analysis of thermoelectric transport and characterization of microstructures are carried out firstly. Secondly, carrier transport characteristics, microscopic scattering mechanisms and the coupling effect of C/C composites on carrier transport behavior are studied. In the end, the thermal and electrical transport characteristics are systematically recognized and the physical mechanisms of thermoelectric effect are understood. Thermoelectric properties can be evaluated based on these efforts. The research lays the foundation for the future potential applications and could provide new perspectives for the development of thermoelectric materials.

炭/炭复合材料的性能优异，兼具结构与功能双重性质，使其应用领域不断拓展。随着对炭/炭复合材料研究的不断深入，新的性质的发现，预示着新的潜在的应用前景。本项目通过对炭/炭复合材料热电效应的研究，将拓展对炭/炭复合材料新性质的认识。利用材料的热电效应，可以实现热电的可逆转换，因此热电材料也成为国际上广泛关注的新能源材料。项目将通过分析炭/炭复合材料的电热等输运行为和对微观结构的分析表征，开展炭/炭复合材料载流子输运特征、微观散射机制研究，以及炭/炭复合材料对载流子输运行为的耦合效应研究，系统认识和揭示炭/炭复合材料的电热输运特性，确立炭/炭复合材料热电效应的物理机制。在此基础上，对炭/炭复合材料的热电性能进行评价，为该材料新的潜在应用领域打下基础。同时，该项目的研究可能为热电材料的探索提供新的方向和思路。

采用MCVI（微波化学气相渗透工艺）制备了各向同性（ISO）、低织构（LT）、中织构（MT)以及高织构(HT)热解炭的C/C复合材料，研究了C/C复合材料的微观结构，尤其是热解炭的微观结构。从微观机理上分析了热解炭微观结构对C/C复合材料Seebeck系数、电导率以及热导率的影响。.随着织构的加强，热解炭微晶平面逐渐增大，周围活性点逐渐减少，导致捕获电子的数目降低，使空穴浓度降低，因而表现为Seebeck系数的逐渐增大；热解炭的定向排布有效降低了载流子的散射，有利于电导率的提高；微晶平面（La）的增大使声子经过边界和缺陷散射后的平均自由程增加，提升了材料的热导率。.具有高度有序织构的热解炭禁带宽度越发变窄，导致电子受激发完全跃迁至导带，使载流子类型由空穴为主转变为电子为主，复合材料表现出金属的性质，电导率和热导率随测试温度的升高而降低，塞贝克系数由正值变为负值；而其他有序度较低的三种织构热解炭，载流子类型依然以空穴为主，复合材料表现出非金属的性质，塞贝克系数、电导率和热导率仍随测试温度的升高而升高。.石墨化热处理，中低织构以及各向同性样品其石墨化度不超过60%，微晶尺寸较小；高织构样品随着石墨化温度提高，石墨化度递增，到2500℃时，石墨化度达到80%以上，微晶尺寸可达到30nm左右。经石墨化处理后的热解炭，当石墨化度达到一定程度时，具有高度有序结构的热解炭禁带宽度变窄，导致电子受热激发跃迁至导带，使载流子类型由空穴为主变为电子为主，电导率和热导率随温度升高而降低，Seebeck系数由正值变为负值，C/C复合材料表现出金属的性质。.项目系统揭示了炭/炭复合材料的电热输运特性，确立了炭/炭复合材料热电效应的物理机制。在此基础上，对炭/炭复合材料的热电性能进行了评价，为该材料新的潜在应用领域打下基础。