聚对苯撑ZnO纳米复合热电材料研究.doc

文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123013
聚对苯撑/ZnO纳米复合热电材料研究
吴子华,谢华清*,曾庆峰,殷铭
(上海第二工业大学城市建设与环境工程学院,上海,201209)
(*通讯联系人:谢华清,Tel:[phone],Email:******@eed.)
摘要:以机械合金法合成聚对苯撑/ZnO纳米复合材料,并对其热电性能进行了研究。透射电镜表明,ZnO颗粒大约在100-200nm之间。球磨后聚对苯撑/ZnO混合充分,聚对苯撑将ZnO块体完全分割。复合材料的热导率较单一ZnO大大降低,并随聚对苯撑添加量的增加而降低。复合材料的电导率随聚对苯撑添加量增加而增加。复合材料的赛贝克系数在整个测试温度范围内为负值,表明复合材料是n型半导体材料。但赛贝克系数绝对值随聚对苯撑添加量增加而减小。
关键词:聚对苯撑;ZnO;纳米复合;热电性能
0 前言
热电材料是一种能将热能和电能相互转化的功能材料,主要用于热电发电和热电制冷。热电转换装置具有体积小、可靠性高、无污染、无噪音、适用温度广等特点,作为特殊电源以及高精度温控器件在空间技术、军事装备、IT技术等高新技术领域获得了广泛应用。
热电材料性能指标一般用无量纲优值系数(figure of merit)ZT进行描述,ZT由热电材料的赛贝克系数、电导率、导热系数和绝对温度表示为。ZT值越大,表示材料的热电转换效率越高[1-4]。应用固体理论模型和较为实际的数据进行计算可以得出,无量纲优值的上限约为ZT=4,该数值远大于目前获得的ZT值(约为1)。而如果ZT值能提高到3左右,热电器件的转换效率就可以达到传统内燃机的效率水平。目前,人们已发现了许多有价值的热电材料,这其中包括传统的现己比较成熟的热电材料,如:主要有(SbBi)3(TeSe)2合金[5]、PbTe合金[6]、填充式方钴矿CoSb3型合金[7]、Ⅳ族Clathrates体系[8]以及Half-Heusler合金[9]等等。这类合金化合物一般只适用于中低温区,同时存在含有Bi、Pb、Sb等有毒物质容易造成环境污染、加工困难、价格昂贵、资源稀少等不足,从而极大地限制了其推广应用。氧化物半导体热电材料的最大特点是可以在氧化气氛中高温下长期工作,其大多无毒性,无环境污染等,且制备简单,制样时在空气中直接烧结即可,无需抽真空等。自从1997年日本科学家Terasaki首先发现层状钴基热电氧化物NaCo2O4具有反常的热电性能后,氧化物热电材料就引起了广泛的关注[10]。氧化物热电材料包括:NaCo2O4、Ca3Co4O9、SrTiO3以及ZnO和In2O3等等。
基金:上海市高校特聘教师“东方学者”岗位计划,教育部新世纪优秀人才支持计划NECT-10-883
ZnO作为一种优良的半导体材料,具有光电、压电、压敏和气敏等性能,使其在透明导体、发光元件、光波导器及微传感器等方面具有广泛的用途,已被各国研究人员关注多年,具有成熟的制备和改性(能带结构的调制、形貌的控制等)工艺[11]。同时,ZnO热电功率因子与已知的高温热电材料Si-Ge基材料相当,是一种具有潜力的氧化物热电材料。然而,ZnO材料由于组成原子较轻和O2-离子化学键振动频率高等原因导致其声子导热系数偏大,从而影响了热电性能的进一步提高。纳米技术的发展为解