高优值系数稀土硫化物热电材料的合成及性能研究

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稀土元素由于具有特殊的4f电子结构,在许多特殊领域都有广泛的应用。其中稀土硫化物热电材料因有较高的Seebeck系数和电导率,故有较好的发展前景。但由于稀土元素有很大的氧亲和力,纯的单相稀土硫化物制备一直比较困难。 本论文主要研究以下几个方面的内容:高纯度稀土硫化物的合成及成型方法,三硫化二镝的热电性能以及在对三硫化二镝中掺杂少量的镧和铈后性能探索。 通过理论分析设计了三种合成方法:1)微波合成法,2)直接硫化法,3)氧化还原法。在实验过程中发现,使用微波合成法和直接硫化法合成纯的单相稀土硫化物,必须有较高的真空度,而使用氧化还原法合成稀土硫化物则容易的多。对合成物分别用X射线衍射仪、扫描电镜、能谱仪和粒度仪等设备进行特征分析。通过真空热压烧结将合成物压制成型,检测了其各种热电参数随温度的变化,并计算出热电优值ZT。通过对合成物掺杂其他稀土元素,观察合成物的稳定性。 通过实验分析得出以下结论:利用还原性气体与稀土氧化物或碳酸盐进行氧化还原反应,是最有效合成稀土倍半硫化物的合成方法。合成物为纯的单相三硫化二镝,合成物粒度较小、均匀、基本无团聚,颜色为棕红色。热压烧结后合成物由α相正交型转变为γ相立方型晶体。掺杂镧和铈后可以降低三硫化二镝的烧结温度和提高稳定性。 综合分析,Dy2S3在低温条件下,热电性能较差,高温条件下(温度大于500℃),有比较好的热电性能。高温条件下Dy2S3的热电优值ZT值比较高。
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