[发明专利]一种Ca3Co2O6基热电材料的制备方法

说明书

本发明涉及一种Ca₃Co₂O₆基热电材料的制备方法，属于热电材料技术领域。Ca₃Co₂O₆基热电材料的制备方法包括以下步骤：将Ca₃Co₂O₆粉体置于模具中，然后放入磁场中进行磁致定向，再将磁致定向后的粉体进行真空热压烧结，即得；所述磁场的方向平行于压制方向。本发明的Ca₃Co₂O₆基热电材料的制备方法，一方面将材料在磁场中磁致定向，可以提高晶粒的取向排列；另一方面真空热压能够提高材料的致密度，减少孔隙率，提高seebeck系数，提高热电性能。将采用本发明的Ca₃Co₂O₆基热电材料的制备方法所制得的热电材料制成原片样品进行电学性能测试，其热电优值ZT在970K时可达0.55。

技术领域

本发明涉及一种Ca₃Co₂O₆基热电材料的制备方法，属于热电材料技术领域。

背景技术

热电材料具有Seebeck效应、Peltier效应和Thomson效应，可以实现热能与电能之间的相互转换。利用温差进行发电的热电器件具有体积小、低功耗、无噪音、无污染、免维护、在工作时不需要运动部件和循环工质，可以制成任意大小和形状的优点，使其能够适用于多种能源场合。目前，温差发电在航空航天、军事、野外和海洋作业、余热和废热利用以及太阳能利用方面具有广泛的应用。作为一种新型的能源利用形式，研究和制备新型热电材料对于提高能源利用效率，促进经济可持续发展具有重要意义。

Ca₃Co₂O₆属于密堆积钙钛矿结构，晶格常数a＝0.9075nm，b＝0.9075nm，c＝1.0377nm。在1300K以下呈化学稳定状态，在其晶体结构中，一维Co-O链平行于c轴的共面多面体链，在每一条链上，[Co1O₆]八面体和[Co2O₆]三棱柱结构沿着c轴交替排列，且每条链被6条链包围，被Ca原子分开，每个Co原子有14个O原子配位，Co-Co之间的最小距离为0.259nm，链间距为0.524nm。研究结果表明：八面体结构没有未配对电子，而三棱柱结构中存在未配对的电子，因此在Ca₃Co₂O₆晶体中每个链都具有局域自旋，具有从亚铁磁态到铁磁态转变的磁场。

为了提高Ca₃Co₂O₆基热电材料的性能，研究人员对其进行了合成方法、掺杂改性、形貌改进及低维化等方面的研究。在合成方法方面，通过对固相法及溶胶凝胶法的研究，不断改进工艺，控制溶液pH值、优化干燥条件等，实现了较低温度下控制合成Ca₃Co₂O₆基热电材料。通过采用Na、Bi、Ag元素在Ca位进行掺杂；采用Cr、Cu等元素在Co位进行掺杂，提高材料Z值。近年来，随着纳米材料及纳米技术的不断发展，采用在纳米尺度上进行结构调控，进而改善材料热电性能，成为一个重要研究方向。同时，为了提高材料的热电性能和力学性能，研究人员尝试新的成型工艺包括热压成型、热挤压成型、等离子体活化烧结成型以及通道转角挤压等。