含导电网络的氮化铬基纳米复合热电材料的设计及优化

Chromium nitride（CrN） is a potential thermoelectric material and has advantages of large Seebeck coefficient, low thermal conductivity, environmental friendly, and abundant resources with low-cost. However, the electrical conductivity of CrN is very low and it is difficult to improve it without lowering the Seebeck coefficient and increasing the thermal conductivity, which limit the improvement of thermoelectric figure of merit of CrN material. Therefore, here we propose to investigate the problem in coordinately regulating the electron-phonon transport in CrN material by nanocrystallization, doping design, and conductive network construction. The project focuses on the design and fabrication of nanostructures, the optimization design of doping elements and their concentration, the formation and evolution of conductive network, and the electron and phonon transport mechanism in composite materials. The proposed investigation is aimed at exploring the optimization design of material compositions and structures, and mastering the key technologies of preparing the high performance CrN-based thermoelectric nanocomposites. The study will contribute to promote the application of CrN-based thermoelectric materials in the future.

氮化铬（CrN）材料具有塞贝克系数大、热导率低、环境友好、原材料丰富且价格低廉的优点，是一种极具应用潜力的热电材料。然而，由于CrN材料的电导率较低，且难以与塞贝克系数、热导率协同优化，导致目前CrN材料的热电优值较低，限制了其进一步发展。本项目拟通过对CrN材料的制备与热电输运机制的研究，探索提高其热电优值的方法。系统研究如何利用CrN晶粒的纳米化、掺杂以及晶粒间三维导电网络的构建等手段解决CrN材料电、热输运协同调控难题。研究材料的纳米结构设计与可控制备、掺杂的优化设计以及导电网络的形成演变规律，研究材料组成、纳米结构形态以及导电网络结构特征对材料电热输运特性的影响机制及交互影响效应。获得材料的组分与结构优化设计，掌握高性能CrN基纳米复合材料制备关键技术，为CrN基热电材料的未来应用奠定基础。

由于CrN材料的电导率较低，且难以与塞贝克系数、热导率协同优化，导致CrN热电优值较低，限制了其实际应用。本项目通过对CrN热电材料的可控化制备与热电输运机制的研究，探索提高其热电优值的方法，研究了适宜较大规模制备纳米CrN热电材料的低成本可控化制备方法，利用Cr金属粉末在高温下直接与氨气反应生成CrN纯相材料，在极大简化CrN制备工艺的同时获得了粒径分布在400~500nm的高质量CrN粉末。所制备的CrN热电材料的无量纲热电优值达到了0.119，功率因子则在850K时达到最大值1.83μW·cm-2K-1。同时，项目基于实验与理论计算，通过不同元素掺杂的方式探索了对CrN材料的热电输运性能进行协同优化的途径，并确定了Ge掺杂对于CrN热电输运性质的改善要明显优于同族其他元素。此外，项目首次对CrN热电材料的机械性能进行了研究。CrN热电材料的硬度达到7.21GPa，比大多数传统热电材料都要高。热重分析表明，CrN在873K时仍保持稳定，具有较好的高温稳定性。摩擦磨损试验表明CrN具有较高的耐磨性和较低的摩擦系数（~0.42）。高的热稳定性和良好的力学性能有望为CrN在如防撞系统和外太空等极端环境下的热电应用提供机会。