[发明专利]Ca3Co4O9/Bi2Ca2Co2Oy复合热电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及热电材料工程领域，具体而言，涉及一种Ca₃Co₄O₉/ Bi₂Ca₂Co₂O_y复合热电材料及其制备方法。

背景技术

热电材料是一类能够实现热能与电能直接转换的功能材料。热电材料的性能用无量纲热电优值ZT表示：ZT值越大，材料的热电性能就越好。其中S是材料的Seebeck系数，σ是材料的电导率，κ是热导率，T是绝对温度。PF＝S²σ称为材料的功率因子。

Ca₃Co₄O₉是一种具有层状结构的氧化物热电材料，在平行于层面的ab面内具有较大的电导率，在垂直于层面的c轴方向电导率较低。Ca₃Co₄O₉单晶体的无量纲热电优值ZT值可以达到0.8，但制备大尺寸的Ca₃Co₄O₉单晶体非常困难；Ca₃Co₄O₉粉体是薄片状的，流动性较差，采用放电等离子体方法或热压方法能够制备出具有良好取向特性的Ca₃Co₄O₉陶瓷，其ZT值可以达到0.5甚至更高，但还不能满足工业应用要求。Ca₃Co₄O₉的电导率σ较低是影响其热电性能的重要原因，掺杂可以提高其电导率，但Seebeck系数也会降低，因而不能有效地改善Ca₃Co₄O₉的热电性能。将Ca₃Co₄O₉与银等具有良好导电性能的材料复合，虽然提高了电导率，但也显著降低了 Seebeck系数，所以与导电性能良好的金属复合，也很难改善 Ca₃Co₄O₉材料的热电性能。

Bi₂Ca₂Co₂O_y也是一种具有层状结构的氧化物热电材料，同样在平行于层面的ab面内具有较大的电导率，在垂直于层面的c轴方向电导率较低。Bi₂Ca₂Co₂O_y的电导率虽然比Ca₃Co₄O₉的还低，但 Seebeck系数较大，将其与Ca₃Co₄O₉复合形成复合材料，便于对 Seebeck系数和电导率进行调控，有利于得到具有良好性能的热电材料。

有相关资料报道，以Bi₂O₃为助溶剂，采用光学浮区法生长的 Ca₃Co₄O₉/Bi₂Ca₂Co₂O_y复合热电材料具有良好取向特性，其功率因子可以达到0.3，但热导率κ也显著提高了，ZT没有得到有效提高。

因此，如何研究出一种ZT值较高的Ca₃Co₄O₉基复合热电材料，已成为亟待解决的技术难题。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种Ca₃Co₄O₉/Bi₂Ca₂Co₂O_y复合热电材料，所述的复合热电材料电导率较高、Seebeck系数较大、热导率较低，相对单一的Ca₃Co₄O₉材料热电性能显著提高。