專利名稱：鑭和鏑共摻雜SrTiO₃陶瓷材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摻雜SrTi03陶瓷材料及其制備方法，屬于功能材料技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著人類社會(huì)的工業(yè)化，全球性的環(huán)境惡化和資源危機(jī)正日益威脅著社會(huì) 的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展，人們迫切需要綠色的新興能源取代傳統(tǒng)的化石燃料。因此熱電材料引起 了科研工作者們的興趣。熱電材料是一種利用固體內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能相互轉(zhuǎn) 換的功能材料，在溫差發(fā)電和低溫制冷方面有廣泛的應(yīng)用前景。熱電材料的性能主要取決 于材料的無量綱的熱電優(yōu)值系數(shù)ZT，ZT值越大，能量的轉(zhuǎn)換效率越高。氧化物熱電材料與合金材料相比具有價(jià)格低廉、制備工藝簡(jiǎn)單和無重金屬等優(yōu) 勢(shì)。自1997年日本學(xué)者Terasaki首次發(fā)現(xiàn)了 P型鈷酸鈉單晶具有很高熱電性能，其熱電 優(yōu)值系數(shù)為0.8，可以與合金熱電材料相媲美。因此氧化物成為熱電材料發(fā)展的主要方向之 一。目前報(bào)道的P型氧化物熱電材料鈷酸鈉、鈷酸鈣單晶已經(jīng)達(dá)到了較高的熱電性能。為 了實(shí)現(xiàn)溫差發(fā)電，必須研發(fā)與P型氧化物熱電材料相匹配的N型材料。但是，目前N型氧化 物材料的熱電性能相對(duì)較差，有許多科學(xué)問題亟待解決，其熱電性能也有待提高。當(dāng)前N型 氧化物熱電材料主要集中在鈦酸鍶基和錳酸鈣基熱電材料。其中鈦酸鍶基外延膜材料已經(jīng) 得到了熱電優(yōu)值系數(shù)0. 37，成為N型氧化物材料中最高的參數(shù)。于是鈦酸鍶基熱電材料成 為更具有潛力的N型氧化物熱電材料。在已有的報(bào)道中有鑭(La)摻雜鈦酸鍶基氧化物熱電材料(見專利 CN101423243A)，有摻銦鈦酸鍶材料(見專利CN1303958A)，還未見有鑭(La)和鏑(Dy)共同 摻雜的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種鑭和鏑共摻雜SrTi03陶瓷材料，該類材料與單元素?fù)诫s 相比，鑭和鏑共摻雜大幅度降低了電阻率，提高功率因子，同時(shí)有效地降低了熱導(dǎo)率，提高 了材料熱電優(yōu)值系數(shù)ZT，S卩提高了熱電發(fā)電的轉(zhuǎn)換率。得到最大熱電優(yōu)值系數(shù)0. 36，是目 前報(bào)道的N型氧化物熱電塊體材料中最高的數(shù)值。本發(fā)明的另一目的是提供該種陶瓷材料的制備方法。本發(fā)明采取的技術(shù)方案為
一種鑭和鏑共摻雜SrTi03陶瓷材料，它的分子式為L(zhǎng)aa ^Da 1+xSr0.8Ti03，其中 0 < x < 0. 10。鑭和鏑共摻雜SrTi03陶瓷材料的制備方法，包括如下步驟
(1)按所需比例稱量La203、Dy203、SrC03和Ti02，配料，以酒精為磨介球磨，將球磨后漿 料烘干后壓成大片；
(2)將壓成的大片在1200-1500°C下保溫5-7h預(yù)燒合成，將預(yù)燒的大片進(jìn)行粉碎研磨， 再球磨，將球磨后的漿料烘干后加入粘合劑造粒，然后壓成薄片；(3)將壓成的薄片在500-700°C下排膠，然后在氫氬還原氣氛、1400-1500°C下燒結(jié)，保 溫 3-5h，制備出 Laa.hDya.^Sr。.8Ti03 陶瓷樣品。步驟(1)所述的大片為直徑25-30mm，厚度5_6mm的圓片。步驟(2)所述的粘合劑為聚乙烯醇，每克干漿料所需量為0. 07ml。所述的薄片為 直徑25-30mm，厚度3_4mm的圓片。步驟(1)和步驟(2)所述的球磨均為磨10-15小時(shí)，在100°C下烘干3小時(shí)。鑭(La)摻雜可以得到與合金材料相當(dāng)?shù)墓β室蜃?，鏑Dy摻雜可以有效的降低材 料的熱導(dǎo)率，本發(fā)明有效地保持了 LadDy^Si^TiC^陶瓷樣品的功率因子，得到了最大 功率因子1318 y W/K2m ；同時(shí)有效的降低了樣品的熱導(dǎo)率，得到最低熱導(dǎo)率2. 3ff/mK ；La和 Dy的重?fù)诫s有效的提高了 31~1103基陶瓷樣品的熱電性能，得到最大熱電優(yōu)值0. 36。


圖1為本發(fā)明陶瓷樣品的XRD圖2為本發(fā)明陶瓷樣品的SEM圖，其中a，b, c, d分別為x=0. 02，0. 05，0. 08，0. 10的樣 品晶粒形貌；
圖3為本發(fā)明陶瓷樣品的電導(dǎo)率； 圖4為本發(fā)明陶瓷樣品的Seebeck系數(shù)； 圖5為本發(fā)明陶瓷樣品的功率因子； 圖6為本發(fā)明陶瓷樣品的熱導(dǎo)率(a)和電子熱電率(b)； 圖7為本發(fā)明陶瓷樣品的熱電優(yōu)值。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說明。原料采用分析化學(xué)試劑La203(純度99. 99%)、Dy203 (純度99. 99%)、SrC03(純度 99%)、Ti02 (純度 99. 8%)。實(shí)施例1
鑭和鏑共摻雜SrTi03陶瓷材料，它的分子式為L(zhǎng)acDyuSruTiC^ ； 制備方法以 La203:2. 6517g、Dy203:4. 5578g、SrC03:24. 2711g 和 Ti02:16. 2281g(La203、 07203、51~0)3和1102用量的摩爾比為2:3 40 :50)稱量配料，以酒精為磨介，球磨12h，球磨后 漿料烘干后壓成直徑為30mm，厚度約為5mm的大片，然后在1350°C下保溫6h預(yù)燒合成，將 預(yù)燒大片進(jìn)行粉碎研磨，再進(jìn)行12h球磨，將球磨后漿料烘干后加入粘合劑聚乙烯醇2. 8ml 造粒，然后壓成直徑為30mm，厚度為3mm的圓片，圓片在650°C下排膠，在氫氬還原氣氛下燒 結(jié)1460°C，保溫4h，制備出陶瓷樣品。實(shí)施例2
鑭和鏑共摻雜SrTi03陶瓷材料，它的分子式為L(zhǎng)adDyuSruTiC^ ； 制備方法以 La203:l. 6514g、Dy203:5. 6768g、SrC03:24. 1840g 禾口 Ti02:16. 2297g(La203、 Dy203、SrC03和Ti02用量的摩爾比為1 :3 32 40)稱量配料，其他操作同實(shí)施例1。實(shí)施例3
鑭和鏑共摻雜SrTi03陶瓷材料，它的分子式為L(zhǎng)aa02Dy0.18Sr0.8Ti03;制備方法以La203:0. 6582g、Dy203:6. 7878g、SrC03:24. 09 76g 和 Ti02:16. 1717g (La203、Dy203、SrC03 和 Ti02用量的摩爾比為1 9 80 100)稱量配料，其他操作同實(shí)施例1。實(shí)施例4
鑭和鏑共摻雜SrTi03陶瓷材料，它的分子式為Dy^SruTiC^ ；
制備方法以 Dy203:7. 5241g、SrC03:24. 04 0 3g 和 Ti02:16. 13 3 2g (Dy203、SrC03 禾日 Ti02 用量的摩爾比為1 :8 :10)稱量配料，其他操作同實(shí)施例1。實(shí)施例5
性能測(cè)試取陶瓷樣品的粉末利用X射線衍射分析儀(使用CuKa射線，波長(zhǎng) 入=0. 154056nm)分析其微觀相組成結(jié)構(gòu)，利用掃描電鏡(SEM)觀察了樣品的微觀形貌。將 陶瓷樣品切割成18X2. 5X2. 5mm3的條形樣品，利用ZEM-3測(cè)試陶瓷樣品的Seebeck系數(shù) 和電導(dǎo)率，利用STA449C測(cè)試樣品的熱容，利用LFA427測(cè)試樣品的熱擴(kuò)散，最后利用以上測(cè) 試數(shù)據(jù)計(jì)算得到樣品的熱電優(yōu)值系數(shù)。陶瓷樣品微觀結(jié)構(gòu)、電導(dǎo)率o、Seebeck系數(shù)S、功率因子PF、熱導(dǎo)率和熱電優(yōu)值 ZT。如附圖所示，La和Dy的重?fù)诫s有效地保持了 Laa hD、1+xSra8Ti03陶瓷樣品的功率因 子，得到了最大功率因子1318 i!W/K2m;同時(shí)有效的降低了樣品的熱導(dǎo)率，得到最低熱導(dǎo)率 2. 3ff/mK ；
La和Dy的重?fù)诫s有效的提高了 SrTi03基陶瓷樣品的熱電性能，得到最大熱電優(yōu)值 0. 36，是目前報(bào)道的N型氧化物熱電塊體材料中最高的數(shù)值；發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)诙嘁约{米量級(jí)出 現(xiàn)時(shí)，會(huì)得到較高的熱電性能，當(dāng)?shù)诙嗟木ЯｉL(zhǎng)大時(shí)性能會(huì)略有下降，因此納米第二相的 出現(xiàn)對(duì)提高材料熱電性能具有良好的促進(jìn)作用。
權(quán)利要求
一種鑭和鏑共摻雜SrTiO3陶瓷材料，其特征是，它的分子式為L(zhǎng)a0.1-xDy0.1+xSr0.8TiO3，其中0≤x≤0.10。
2.—種鑭和鏑共摻雜SrTi03陶瓷材料的制備方法，其特征是，包括如下步驟(1)按所需比例稱量La203、Dy203、SrC03和Ti02，配料，以酒精為磨介球磨，將球磨后漿 料烘干后壓成大片；(2)將壓成的大片在1200-1500°C下保溫5-7h預(yù)燒合成，將預(yù)燒的大片進(jìn)行粉碎研磨， 再球磨，將球磨后的漿料烘干后加入粘合劑造粒，然后壓成薄片；(3)將壓成的薄片在500-700°C下排膠，然后在氫氬還原氣氛、1400-1500°C下燒結(jié)，保 溫 3-5h，制備出 Laa.hDya.^Sr。.8Ti03 陶瓷樣品。
3.按照權(quán)利要求2所述的鑭和鏑共摻雜SrTi03陶瓷材料的制備方法，其特征是，步驟(1)所述的大片為直徑25-30mm，厚度5_6mm的圓片。
4.按照權(quán)利要求2所述的鑭和鏑共摻雜SrTi03陶瓷材料的制備方法，其特征是，步驟(2)所述的粘合劑為聚乙烯醇，每克干漿料所需量為0.07ml。
5.按照權(quán)利要求2所述的鑭和鏑共摻雜SrTi03陶瓷材料的制備方法，其特征是，步驟 (2)所述的薄片為直徑25-30mm，厚度3_4mm的圓片。
6.按照權(quán)利要求2所述的鑭和鏑共摻雜SrTi03陶瓷材料的制備方法，其特征是，步驟 (1)和步驟(2)所述的球磨均為磨10-15小時(shí)，所述的烘干在100°C下烘干3小時(shí)。
全文摘要
本發(fā)明涉及鑭和鏑共摻雜SrTiO3陶瓷材料,它的分子式為L(zhǎng)a0.1-xDy0.1+xSr0.8TiO3，其中0≤x≤0.10。本發(fā)明陶瓷材料有效地保持了La0.1-xDy0.1+xSr0.8TiO3陶瓷樣品的功率因子，得到了最大功率因子1318μW/K2m；同時(shí)有效的降低了樣品的熱導(dǎo)率，得到最低熱導(dǎo)率2.3W/mK；La和Dy的重?fù)诫s有效的提高了SrTiO3基陶瓷樣品的熱電性能，得到最大熱電優(yōu)值0.36。
文檔編號(hào)C04B35/47GK101798215SQ20101014783
公開日2010年8月11日 申請(qǐng)日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者劉劍, 孫毅, 梅良模, 王春雷, 王洪超, 蘇文斌 申請(qǐng)人:山東大學(xué)