镧和镝共掺杂SRTIOSUB3/SUB陶瓷材料及其制备方法.pdf

本发明涉及镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料,它的分子式为La0.1-xDy0.1+xSr0.8TiO3，其中0≤x≤0.10。本发明陶瓷材料有效地保持了La0.1-xDy0.1+xSr0.8TiO3陶瓷样品的功率因子，得到了最大功率因子1318μW/K2m；同时有效的降低了样品的热导率，得到最低热导率2.3W/mK；La和Dy的重掺杂有效的提高了SrTiO3基陶瓷样品的热电性能，得到最大热电优值0.36。

权利要求书
1.  一种镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料，其特征是，它的分子式为La0.1-xDy0.1+xSr0.8TiO3，其中0≤x≤0.10。

2.  一种镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料的制备方法，其特征是，包括如下步骤：           
（1）按所需比例称量La2O3、Dy2O3、SrCO3和TiO2，配料，以酒精为磨介球磨，将球磨后浆料烘干后压成大片；
（2）将压成的大片在1200-1500℃下保温5-7h预烧合成，将预烧的大片进行粉碎研磨，再球磨，将球磨后的浆料烘干后加入粘合剂造粒，然后压成薄片；
（3）将压成的薄片在500-700℃下排胶，然后在氢氩还原气氛、1400-1500℃下烧结，保温3-5h，制备出La0.1-xDy0.1-xSr0.8TiO3陶瓷样品。

3.  按照权利要求2所述的镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料的制备方法，其特征是，步骤（1）所述的大片为直径25-30mm，厚度5-6mm的圆片。

4.  按照权利要求2所述的镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料的制备方法，其特征是，步骤（2）所述的粘合剂为聚乙烯醇，每克干浆料所需量为：0.07ml。

5.  按照权利要求2所述的镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料的制备方法，其特征是，步骤（2）所述的薄片为直径25-30mm，厚度3-4mm的圆片。

6.  按照权利要求2所述的镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料的制备方法，其特征是，步骤（1）和步骤（2）所述的球磨均为磨10-15小时，所述的烘干在100℃下烘干3小时。

说明书镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种掺杂SrTiO3陶瓷材料及其制备方法，属于功能材料技术领域。
背景技术
[0002]随着人类社会的工业化，全球性的环境恶化和资源危机正日益威胁着社会的长期稳定发展，人们迫切需要绿色的新兴能源取代传统的化石燃料。因此热电材料引起了科研工作者们的兴趣。热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能相互转换的功能材料，在温差发电和低温制冷方面有广泛的应用前景。热电材料的性能主要取决于材料的无量纲的热电优值系数ZT，ZT值越大，能量的转换效率越高。
氧化物热电材料与合金材料相比具有价格低廉、制备工艺简单和无重金属等优势。自1997年日本学者Terasaki首次发现了P型钴酸钠单晶具有很高热电性能，其热电优值系数为0.8，可以与合金热电材料相媲美。因此氧化物成为热电材料发展的主要方向之一。目前报道的P型氧化物热电材料钴酸钠、钴酸钙单晶已经达到了较高的热电性能。为了实现温差发电，必须研发与P型氧化物热电材料相匹配的N型材料。但是，目前N型氧化物材料的热电性能相对较差，有许多科学问题亟待解决，其热电性能也有待提高。当前N型氧化物热电材料主要集中在钛酸锶基和锰酸钙基热电材料。其中钛酸锶基外延膜材料已经得到了热电优值系数0.37，成为N型氧化物材料中最高的参数。于是钛酸锶基热电材料成为更具有潜力的N型氧化物热电材料。
在已有的报道中有镧（La）掺杂钛酸锶基氧化物热电材料(见专利CN101423243A)，有掺铟钛酸锶材料(见专利CN1303958A)，还未见有镧（La）和镝（Dy）共同掺杂的。
发明内容
本发明的目的是提供一种镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料，该类材料与单元素掺杂相比，镧和镝共掺杂大幅度降低了电阻率，提高功率因子，同时有效地降低了热导率，提高了材料热电优值系数ZT，即：提高了热电发电的转换率。得到最大热电优值系数0.36，是目前报道的N型氧化物热电块体材料中最高的数值。
本发明的另一目的是提供该种陶瓷材料的制备方法。
本发明采取的技术方案为:
一种镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料,它的分子式为La0.1-xDy0.1+xSr0.8TiO3，其中0≤x≤0.10。
镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料的制备方法，包括如下步骤：           
（1）按所需比例称量La2O3、Dy2O3、SrCO3和TiO2，配料，以酒精为磨介球磨，将球磨后浆料烘干后压成大片；
（2）将压成的大片在1200-1500℃下保温5-7h预烧合成，将预烧的大片进行粉碎研磨，再球磨，将球磨后的浆料烘干后加入粘合剂造粒，然后压成薄片；
（3）将压成的薄片在500-700℃下排胶，然后在氢氩还原气氛、1400-1500℃下烧结，保温3-5h，制备出La0.1-xDy0.1-xSr0.8TiO3陶瓷样品。
步骤（1）所述的大片为直径25-30mm，厚度5-6mm的圆片。
步骤（2）所述的粘合剂为聚乙烯醇，每克干浆料所需量为：0.07ml。所述的薄片为直径25-30mm，厚度3-4mm的圆片。
步骤（1）和步骤（2）所述的球磨均为磨10-15小时，在100℃下烘干3小时。
镧（La）掺杂可以得到与合金材料相当的功率因子，镝Dy掺杂可以有效的降低材料的热导率，本发明有效地保持了La0.1-xDy0.1+xSr0.8TiO3陶瓷样品的功率因子，得到了最大功率因子1318μW/K2m；同时有效的降低了样品的热导率，得到最低热导率2.3W/mK；La和Dy的重掺杂有效的提高了SrTiO3基陶瓷样品的热电性能，得到最大热电优值0.36。
附图说明
图1为本发明陶瓷样品的XRD图；
图2为本发明陶瓷样品的SEM图，其中a,b,c,d分别为x=0.02,0.05,0.08,0.10的样品晶粒形貌；
图3为本发明陶瓷样品的电导率；
图4为本发明陶瓷样品的Seebeck系数；
图5为本发明陶瓷样品的功率因子；
图6为本发明陶瓷样品的热导率(a)和电子热电率(b)；
图7为本发明陶瓷样品的热电优值。
具体实施方式
   下面结合具体实施例进一步说明。
原料采用分析化学试剂La2O3(纯度99.99%)、Dy2O3(纯度99.99%)、SrCO3(纯度99%)、TiO2(纯度99.8%)。
实施例1
镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料,它的分子式为La0.08Dy0.12Sr0.8TiO3；
制备方法：以La2O3:2.6517g、Dy2O3:4.5578g、SrCO3:24.2711g和TiO2:16.2281g（La2O3、Dy2O3、SrCO3和TiO2用量的摩尔比为2：3：40：50）称量配料，以酒精为磨介，球磨12h，球磨后浆料烘干后压成直径为30mm，厚度约为5mm的大片，然后在1350℃下保温6h预烧合成，将预烧大片进行粉碎研磨，再进行12h球磨，将球磨后浆料烘干后加入粘合剂聚乙烯醇2.8ml造粒，然后压成直径为30mm，厚度为3mm的圆片，圆片在650oC下排胶，在氢氩还原气氛下烧结1460℃，保温4h，制备出陶瓷样品。
实施例2
镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料,它的分子式为La0.05Dy0.15Sr0.8TiO3；
制备方法：以La2O3:1.6514g、Dy2O3:5.6768g、SrCO3:24.1840g和TiO2:16.2297g（La2O3、Dy2O3、SrCO3和TiO2用量的摩尔比为1：3：32：40）称量配料，其他操作同实施例1。
实施例3
镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料,它的分子式为La0.02Dy0.18Sr0.8TiO3；制备方法：以La2O3:0.6582g、Dy2O3:6.7878g、SrCO3:24.0976g和TiO2:16.1717g（La2O3、Dy2O3、SrCO3和TiO2用量的摩尔比为1：9：80：100）称量配料，其他操作同实施例1。
实施例4
镧和镝共掺杂SrTiO3陶瓷材料,它的分子式为Dy0.2Sr0.8TiO3；
制备方法：以Dy2O3:7.5241g、SrCO3:24.0403g和TiO2:16.1332g（Dy2O3、SrCO3和TiO2用量的摩尔比为1：8：10）称量配料，其他操作同实施例1。
实施例5
性能测试：取陶瓷样品的粉末利用X射线衍射分析仪(使用CuKα射线，波长λ=0.154056nm)分析其微观相组成结构，利用扫描电镜(SEM)观察了样品的微观形貌。将陶瓷样品切割成18×2.5×2.5mm3的条形样品，利用ZEM-3测试陶瓷样品的Seebeck系数和电导率，利用STA449C测试样品的热容，利用LFA427测试样品的热扩散，最后利用以上测试数据计算得到样品的热电优值系数。
陶瓷样品微观结构、电导率σ、Seebeck系数S、功率因子PF、热导率和热电优值ZT。如附图所示，La和Dy的重掺杂有效地保持了La0.1-xDy0.1+xSr0.8TiO3陶瓷样品的功率因子，得到了最大功率因子1318μW/K2m；同时有效的降低了样品的热导率，得到最低热导率2.3W/mK；
La和Dy的重掺杂有效的提高了SrTiO3基陶瓷样品的热电性能，得到最大热电优值0.36，是目前报道的N型氧化物热电块体材料中最高的数值；发现当第二相以纳米量级出现时，会得到较高的热电性能，当第二相的晶粒长大时性能会略有下降，因此纳米第二相的出现对提高材料热电性能具有良好的促进作用。