学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

β-FeSi2和ZnO及其复合陶瓷材料的制备与热电性能

作　者: 曲秀荣
导　师: 贾德昌
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: ZnO β-FeSi2 第一性原理计算 Si纳米线 包覆 热电性能
分类号: TQ174.13
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 147次
引　用: 0次
阅　读: 论文下载
 

内容摘要


本文采用基于密度泛函理论的第一性原理的赝势平面波方法,对掺杂引起的ZnO、β-FeSi2系的电子结构变化进行了详细的计算研究,在理论上预测了掺杂引起的热电性能变化。采用化学共沉淀的方法制备了Al及Al和Sn共掺杂的ZnO系块体材料,研究了掺杂含量及热处理温度对组织结构及热电性的影响。由于纳米材料的独特性能,也合成了几种形貌的ZnO纳米材料,并对其形成机理作了详细阐述。另外,通过高能球磨和热处理两步获得了β-FeSi2粉体,对球磨时间及热处理温度的影响作了详细探讨,深入分析了机械合金化及相变的微观机制。最后,通过表面活性剂处理及溶胶凝胶的办法,获得了均匀致密的ZnO纳米粒子包覆的β-FeSi2样品,对其热电性能与掺杂含量关系作了详细探究。计算发现Al和Sn掺杂会使ZnO电子结构发生显著变化。随掺杂含量增加,费米能级由价带顶移向导带,态密度增大。Co原子掺杂会使β-FeSi2由间接带隙变为直接带隙,带隙变窄。因而,从理论上预测了向β-FeSi2-ZnO系材料中引入Al、Sn和Co掺杂原子会使材料的电学性质得到提高。ZnO系材料的热电性能随着Al掺杂含量增加而逐渐提高。对于Al/Sn共掺的ZnO样品,Al掺杂量1at.%不变,Sn分别掺杂2at.%和3at.%时,Sn掺杂含量越高样品越难致密,对于纯Sn掺杂的样品会形成稳定的多孔结构。Sn掺杂含量增加,样品热导率会大幅度降低。通过控制化学反应条件,获得了各种奇特形貌的纳米ZnO热电材料。首先,乙酸锌与氨水反应制得ZnO前躯体,当反应物浓度较低时,得到的是带状前躯体,增加反应物浓度就可以获得八面体状前躯体,将各种形貌前躯体热分解就可以制得对应形貌的ZnO超结构。若带状前躯体经过不同条件湿化处理,就可以获得粗细不同的棒状ZnO。另外,当在化学反应过程中掺入Al离子时,就可以得到ZnO纳米片。以Fe, Co, Si粉为原料通过高能球磨可以获得α-Fe2Si5和ε-FeSi的混合粉体,随着球磨时间增加,粒子逐渐细化,甚至经过30h球磨的粉体粒径可降到500nm。将球磨获得的α-Fe2Si5和ε-FeSi混合粉体在800oC热处理5h后即可生成β-FeSi2,粉体经过热压或SPS烧结可获得致密的块体材料。当Si过量时,经过热处理在β-FeSi2粉体和SPS烧结的块体中会原位生长Si纳米线,使得样品热导率降到4W·m-1K-1左右。对于ZnO包覆的β-FeSi2样品,采取的是先将β-FeSi2粒子进行带电处理,然后在sol-gel的过程生成ZnO纳米粒子的过程将经过处理的β-FeSi2粒子引入,以达到很好的包覆效果。ZnO包覆的β-FeSi2热电性能得到了很大提高,并且由于ZnO的引入使得β-FeSi2基材料的最佳工作温区向高温方向扩展了100oC,对于热电器件来说是具有重要意义的。

全文目录


摘要  3-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-27
  1.1 引言  10-11
  1.2 热电效应基本原理及应用  11-17
    1.2.1 热电效应的基本原理  11-15
    1.2.2 热电输运性能  15-16
    1.2.3 热电效应的应用  16-17
  1.3 热电材料的研究进展  17-25
    1.3.1 材料体系的探索  17-19
    1.3.2 低维热电材料  19-21
    1.3.3 梯度结构热电材料  21
    1.3.4 ZnO 系热电材料的研究现状  21-22
    1.3.5 β-FeSi_2 系热电材料的研究进展  22-25
  1.4 本文的研究目的、意义和研究内容  25-27
    1.4.1 研究目的和意义  25
    1.4.2 主要研究内容  25-27
第2章 理论与试验研究方法  27-33
  2.1 理论计算方法  27
  2.2 试验原材料  27-29
  2.3 试验材料的制备  29-31
    2.3.1 ZnO 系热电材料的制备  29
    2.3.2 β-FeSi_2 系热电材料的制备  29-30
    2.3.3 ZnO 包覆β-FeSi_2  30-31
  2.4 组织结构分析方法  31
    2.4.1 相对密度测定  31
    2.4.2 X 射线衍射(XRD)分析  31
    2.4.3 扫描电子显微镜(SEM)观察  31
    2.4.4 透射电镜(TEM)和高分辨电镜(HRTEM)观察  31
  2.5 热电性能测试与评价  31-33
    2.5.1 电导率与Seebeck 系数测量  31-32
    2.5.2 热导率测量  32-33
第3章 β-FeSi_2、ZnO 系热电材料的第一性原理研究  33-57
  3.1 ZnO 系热电材料的第一性原理研究  33-45
    3.1.1 ZnO 的晶体结构和电子结构  33-36
    3.1.2 Al 掺杂对ZnO 电子结构的影响  36-43
    3.1.3 Al/Sn 共掺对ZnO 电子结构的影响  43-45
  3.2 β-FeSi_2 系热电材料的第一性原理研究  45-55
    3.2.1 β-FeSi_2 的结构优化和电子结构  45-48
    3.2.2 Co 掺杂对β-FeSi_2 电子结构的影响  48-55
  3.3 本章小结  55-57
第4章 ZnO 系热电材料的组织结构与热电性能  57-82
  4.1 Al 掺杂对ZnO 系热电材料的组织结构与热电性能的影响  57-60
    4.1.1 Al 掺杂的ZnO 样品的物相分析  57
    4.1.2 Al 掺杂的ZnO 样品的微观结构分析  57-58
    4.1.3 Al 掺杂对ZnO 系材料电输运性能的影响  58-59
    4.1.4 Al 掺杂对ZnO 系材料热输运性能的影响  59-60
  4.2 Al/Sn 共掺对ZnO 系热电材料的组织结构与热电性能的影响  60-63
    4.2.1 Al/Sn 共掺的ZnO 样品的物相分析  61-62
    4.2.2 Al/Sn 共掺的ZnO 样品的微观结构分析  62-63
    4.2.3 Al/Sn 共掺对 ZnO 样品的热输运性能影响  63
  4.3 ZnO 系纳米材料的合成与形成机制  63-80
    4.3.1 自组装ZnO 八面体的合成与形成机制  63-69
    4.3.2 多孔ZnO 纳米带的合成与形成机制  69-74
    4.3.3 ZnO 微米棒的合成与形成机制  74-78
    4.3.4 Al 掺杂的ZnO 纳米片的合成与形成机制  78-80
  4.4 ZnO 系材料电子结构与实验测得性能之间的关系  80-81
    4.4.1 物相关系  80-81
    4.4.2 热电性能关系  81
  4.5 本章小结  81-82
第5章 β-FeSi_2系热电材料的组织结构与热电性能  82-103
  5.1 两步法获得的β-FeSi_2 粉体的组织结构  82-86
    5.1.1 球磨时间对粉体微观组织结构影响  82-84
    5.1.2 Fe-Si 体系机械合金化过程分析  84
    5.1.3 不同热处理条件下α-, β-, ε-FeSi 之间的相变  84-86
  5.2 β-FeSi_2 系热电材料的组织结构  86-90
  5.3 β相转变的动力学分析  90-92
    5.3.1 扩散机制及扩散激活能  90
    5.3.2 相变机理初步分析  90-92
  5.4 β-FeSi_2 系热电材料的热电性能  92-95
    5.4.1 β-FeSi_2 系材料的电输运性能  92-94
    5.4.2 β-FeSi_2 系材料的热输运性能  94-95
    5.4.3 β-FeSi_2 系材料的热电优值  95
  5.5 β-FeSi_2 中原位生长Si 纳米线  95-102
    5.5.1 在β-FeSi_2 粉体中原位生长Si 纳米线  95-98
    5.5.2 Si 纳米线的生长机理初步分析  98
    5.5.3 Si 纳米线对β-FeSi_2 热电性能的影响  98-102
  5.6 本章小结  102-103
第6章 ZnO 包覆的β-FeSi_2材料的热电性能  103-112
  6.1 ZnO 包覆的β-FeSi_2 粉体的组织结构分析  103-106
    6.1.1 ZnO 包覆的β-FeSi_2 粉体的物相分析  103-104
    6.1.2 ZnO 包覆的β-FeSi_2 粉体的微观结构分析  104-105
    6.1.3 ZnO 包覆β-FeSi_2 粉体的包覆机理分析  105-106
  6.2 ZnO 包覆的β-FeSi_2 块体的组织结构分析  106-108
    6.2.1 ZnO 包覆的β-FeSi_2 块体的物相分析  106
    6.2.2 ZnO 包覆的β-FeSi_2 块体的微观结构分析  106-108
  6.3 ZnO 包覆的β-FeSi_2 样品的抗氧化性研究  108
  6.4 ZnO 包覆对β-FeSi_2 材料的热电输运性能的影响  108-111
    6.4.1 ZnO 包覆对β-FeSi_2 材料的电输运性能的影响  108-110
    6.4.2 ZnO 包覆对β-FeSi_2 材料的热输运性能的影响  110
    6.4.3 ZnO 包覆对β-FeSi_2 材料的热电优值的影响  110-111
  6.5 本章小结  111-112
结论  112-114
参考文献  114-124
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果  124-126
致谢  126-127
个人简历  127

相似论文

  1. 稀土元素掺杂Ca3Co4O9与Ag复合材料的制备及热电性能,TQ174.1
  2. 化学吸附法脱除FCC汽油中含硫化合物的研究,TE624.55
  3. 锂离子电池电极材料黑磷与LiMn2O4的第一性原理研究,TM912
  4. 固体氧化物燃料电池负极材料Srn+1TinO3n+1（n=1,2,3,∞）的第一性原理研究,TM911.4
  5. 基于微乳液体系制备ZnO光催化材料,O614.241
  6. 掺Eu的α-SiAlON荧光材料的第一性原理研究,TB34
  7. ZnO掺杂效应的第一性原理研究,O614.241
  8. ZnO杂化材料的制备、缺陷调控及其光学性质的研究,TB33
  9. 多功能Fe3O4/ZnO/SiO2纳米复合材料的制备及性能研究,TB383.1
  10. Ni片上组装TiO2纳米管阵列和TiO2/ZnO纳米棒阵列膜光催化辅助电解水制氢研究,TQ116.21
  11. PVC包覆涤纶长丝的研制与表征,TQ342.2
  12. 纳米磷酸铁锂的制备与改性,TM912
  13. PDP用蓝色荧光粉SrMgAl10O17:Eu2+的燃烧合成、表面改性及其发光性能的研究,TN104.3
  14. 纳米级Bi2Te3粉体的制备及其烧结性能研究,TB383.1
  15. 溶胶—凝胶法制备p型ZnO薄膜,O484.1
  16. 石墨负极低温性能影响因素及改进研究,TM912
  17. 新型锂离子电池负极材料Li4Ti5O12的制备与改性研究,TM912
  18. 超声喷雾热解法ZnO薄膜的制备及其性能研究,TB43
  19. 适合声表面波谐振器的ZnO薄膜研究,TN304.055
  20. 高压高温探究合成β-FeSi_2热电材料,TN304.2
  21. 低压ZnO压敏陶瓷的制备及Y_2O_3掺杂改性研究,TN304.93

中图分类: > 工业技术 > 化学工业 > 硅酸盐工业 > 陶瓷工业 > 基础理论 > 物理性能
© 2012 www.xueweilunwen.com