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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:呂芳毅
研究生(外文):Fang-Yi Lu
論文名稱:利用冷壓法製備p-Type(Zn1-xCdx)4Sb3晶體及其熱電特性分析
論文名稱(外文):Thermoelectric Characterization of p-Type (Zn1-xCdx)4Sb3 crystals Fabricated by Cold Pressing Method
指導教授:吳慶成
指導教授(外文):Ching-Cherng Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立東華大學
系所名稱:材料科學與工程學系
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:99
中文關鍵詞:熱電冷壓優值
外文關鍵詞:thermoelectriccold pressingZT
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銻化鋅鎘(Zn1-xCdx)4Sb3,由於有較佳的熱電性質且製造成本低,是一個被推薦用來製造熱電發電機之新材料。本研究將利用粉末冶金之冷壓法(cold pressing method)來製備x=0.150、0.175、0.200、0.225、0.250等五種成分的銻化鋅鎘(Zn1-xCdx)4Sb3晶體。將藉由X-ray繞射分析、電子探針顯微分析(EPMA)、電子顯微鏡(SEM)、DSC、Seebeck係數、電阻率和熱傳導係數等量測對材料的特性作一詳細分析。並在300至600K之間進行Seebeck係數,電阻率和熱傳導係數隨溫度變化的量測。在400至475K有較高的ZT值表現,最佳的ZT值出現在425K時,大約是0.13。本論文將詳細討論銻化鋅鎘(Zn1-xCdx)4Sb3晶體熱電性質和溫度、成分、不同粒度大小之間的關係。
(Zn1-xCdx)4Sb3 is proposed as a new material for thermoelectric generator because of it’s high thermoelectric performance and low cost. In this study, (Zn1-xCdx)4Sb3 crystals with x=0.150, 0.175, 0.200, 0.225, 0.250 were prepared by cold pressing method. A detailed characterization program using X-ray diffraction, EPMA, SEM, DSC, Seebeck coefficient, resistivity and thermal conductivity were carried out. The temperature dependence of the Seebeck coefficient, resistivity and thermal conductivity of (Zn1-xCdx)4Sb3 crystal were measured between 300K and 600K. The high thermoelectric figures of merit (ZT) of (Zn1-xCdx)4Sb3 crystals were obtained between 400K and 475K and a maximum of about 0.13 was obtained at a temperature of 425K. The composition, powder particle size and temperature dependence of the thermoelectric properties for (Zn1-xCdx)4Sb3 were discussed.
目錄

誌謝……………………………………………………………………i
中文摘要………………………………………………………………ii
英文摘要………………………………………………………………iii
目錄……………………………………………………………………iv
表目錄…………………………………………………………………vi
圖目錄…………………………………………………………………viii
一、 緒論…………………………………………………………1
1.1 研究背景……………………………………………………1
1.2 研究方向……………………………………………………5
二、 文獻探討……………………………………………………7
2.1 熱電現象……………………………………………………7
2.2 ZT值…………………………………………………………12
2.3 成長方法……………………………………………………15
2.3.1 冷壓…………………………………………………………16
2.4 銻化鋅系列熱電材料………………………………………16
三、 實驗方法與步驟……………………………………………23
3.1 實驗流程圖…………………………………………………23
3.2 粉末製備……………………………………………………24
3.3 冷壓燒結……………………………………………………27
3.4 特性分析……………………………………………………29
3.5 特性量測原理與方法………………………………………30
3.5.1 熱傳導係數與Seebeck係數量測原理與方法……………30
3.5.2 電阻率量測…………………………………………………35
四、 實驗結果與討論……………………………………………38
4.1 晶體品質與成分分析………………………………………38
4.2.1 粉末粒度分佈結果分析……………………………………38
4.2.2 電子顯微分析結果…………………………………………41
4.2.3 EPMA分析結果………………………………………………46
4.2.4 X-ray繞射結果分析………………………………………52
4.2.5 DSC分析結果………………………………………………54
4.2 特性量測分析………………………………………………57
4.2.1 電阻率………………………………………………………57
4.2.2 Seebeck係數………………………………………………66
4.2.3 熱傳導係數…………………………………………………75
4.3 綜合討論……………………………………………………84
五、 結論…………………………………………………………93
參考資料………………………………………………………………96

表目錄

表1.1、 熱電材料在各方面的應用…………………………………4
表1.2、 熱電材料轉換效率表………………………………………6
表3.1、 (Zn1-xCdx)4Sb3元素配重…………………………………25
表3.2、 篩網規格與粉體粒度分佈表………………………………26
表3.3、 試片樣品一覽表……………………………………………27
表4.1、 Zn3.0Cd1.0Sb3前、中、後三段EPMA成分定量結果……46
表4.2、 Zn3.4Cd0.6Sb3 A、B兩種試片EPMA成分定量結果………47
表4.3、 Zn3.3Cd0.7Sb3 A、B兩種試片EPMA成分定量結果………48
表4.4、 Zn3.2Cd0.8Sb3 A、B兩種試片EPMA成分定量結果………49
表4.5、 Zn3.1Cd0.9Sb3 A、B兩種試片EPMA成分定量結果………50
表4.6、 Zn3.0Cd1.0Sb3 A、B兩種試片EPMA成分定量結果………51
表4.7、 Zn3.4Cd0.6Sb3之電阻率…………………………………59
表4.8、 Zn3.3Cd0.7Sb3之電阻率…………………………………60
表4.9、 Zn3.2Cd0.8Sb3之電阻率…………………………………61
表4.10、 Zn3.1Cd0.9Sb3之電阻率…………………………………62
表4.11、 Zn3.0Cd1.0Sb3之電阻率…………………………………63
表4.12、 Zn3.4Cd0.6Sb3之Seebeck係數……………………………68
表4.13、 Zn3.3Cd0.7Sb3之Seebeck係數……………………………69
表4.14、 Zn3.2Cd0.8Sb3之Seebeck係數……………………………70
表4.15、 Zn3.1Cd0.9Sb3之Seebeck係數……………………………71
表4.16、 Zn3.0Cd1.0Sb3之Seebeck係數……………………………72
表4.17、 Zn3.4Cd0.6Sb3之熱導……………………………………77
表4.18、 Zn3.3Cd0.7Sb3之熱導……………………………………78
表4.19、 Zn3.2Cd0.8Sb3之熱導……………………………………79
表4.20、 Zn3.1Cd0.9Sb3之熱導……………………………………80
表4.21、 Zn3.0Cd1.0Sb3之熱導……………………………………81
表4.22、 Zn3.4Cd0.6Sb3之ZT值……………………………………86
表4.23、 Zn3.3Cd0.7Sb3之ZT值……………………………………87
表4.24、 Zn3.2Cd0.8Sb3之ZT值……………………………………88
表4.25、 Zn3.1Cd0.9Sb3之ZT值……………………………………89
表4.26、 Zn3.0Cd1.0Sb3之ZT值……………………………………90

圖目錄

圖1.1、 各種材料其Z值在不同溫度的表現………………………4
圖2.1、 熱電偶產生相對Seebeck電動勢示意圖…………………10
圖2.2、 Seebeck原理示意圖………………………………………10
圖2.3、 Peltier效應熱電偶示意圖………………………………11
圖2.4、 (a)在開放迴路單一導體的對稱性溫度梯度。(b)在封閉迴路單一導體中由Thomson效應產生的非對稱性溫度梯度……………11
圖2.5、 載子濃度與S、ρ與Z值之關係……………………………14
圖2.6、 聲子-聲子散射示意圖……………………………………14
圖2.7、 點缺陷和合金(alloy)散射示意圖………………………14
圖2.8、 Zn-Sb二元相圖……………………………………………17
圖2.9、 β-Zn4Sb3之晶體結構……………………………………20
圖2.10、 p-type之β-Zn4Sb3與Zn3.2Cd0.8Sb3材料,ZT值的表現範圍………………………………………………………………………20
圖2.11、 (Zn1-xCdx)4Sb3之ZT值隨溫度變化情形…………………21
圖2.12、 (Zn1-xCdx)4Sb3試片在不同溫度的ZT值表現圖…………21
圖2.13、 Bridgman與熱壓法試片熱導值比較圖……………………22
圖3.1、 實驗流程圖…………………………………………………23
圖3.2、 真空封管示意圖……………………………………………26
圖3.3、 冷壓燒結法程序圖…………………………………………28
圖3.4、 比較法示意法..……………………………………………33
圖3.5、 Seebeck 係數量測系統圖…………………………………33
圖3.6、 量測試片實體和示意圖……………………………………33
圖3.7、 熱傳導係數和Seebeck係數量測系統示意圖……………34
圖3.8、 不規則形狀試片的四個接點………………………………37
圖3.9、 修正因子F對Rr的作圖……………………………………37
圖4.1、 淬火後之銻化鋅鎘晶體……………………………………39
圖4.2、 燒結後所得試片外觀………………………………………39
圖4.3、 不同粒度之粉體粒度分佈…………………………………40
圖4.4、 淬火後晶錠之顯微結構……………………………………43
圖4.5、 依不同條件燒結後燒結體表面與橫截面型態……………44
圖4.6、 不同粒度粉末經由300℃,24hr燒結後表面與橫截面型態………………………………………………………………………45
圖4.7、 Zn3.4Cd0.6Sb3淬火晶錠前、中、後三段之XRD分析……53
圖4.8、 Zn3.4Cd0.6Sb3之XRD分析…………………………………53
圖4.9、 Zn3.4Cd0.6Sb3之DSC資料…………………………………55
圖4.10、 Zn3.3Cd0.7Sb3之DSC資料…………………………………55
圖4.11、 Zn3.2Cd0.8Sb3之DSC資料…………………………………55
圖4.12、 Zn3.1Cd0.9Sb3之DSC資料…………………………………56
圖4.13、 Zn3.0Cd1.0Sb3之DSC資料…………………………………56
圖4.14、 Zn3.4Cd0.6Sb3之電阻率隨溫度之變化…………………59
圖4.15、 Zn3.3Cd0.7Sb3之電阻率隨溫度之變化…………………60
圖4.16、 Zn3.2Cd0.8Sb3之電阻率隨溫度之變化…………………61
圖4.17、 Zn3.1Cd0.9Sb3之電阻率隨溫度之變化…………………62
圖4.18、 Zn3.0Cd1.0Sb3之電阻率隨溫度之變化…………………63
圖4.19、 A(1),(Zn1-xCdx)4Sb3之電阻率隨溫度之變化…………64
圖4.20、 B(1),(Zn1-xCdx)4Sb3之電阻率隨溫度之變化…………64
圖4.21、 B(2),(Zn1-xCdx)4Sb3之電阻率隨溫度之變化…………65
圖4.22、 B(3),(Zn1-xCdx)4Sb3之電阻率隨溫度之變化…………65
圖4.23、 Zn3.4Cd0.6Sb3之Seebeck係數隨溫度之變化……………68
圖4.24、 Zn3.3Cd0.7Sb3之Seebeck係數隨溫度之變化……………69
圖4.25、 Zn3.2Cd0.8Sb3之Seebeck係數隨溫度之變化……………70
圖4.26、 Zn3.1Cd0.9Sb3之Seebeck係數隨溫度之變化……………71
圖4.27、 Zn3.0Cd1.0Sb3之Seebeck係數隨溫度之變化……………72
圖4.28、 A(1),(Zn1-xCdx)4Sb3之Seebeck係數隨溫度之變化…73
圖4.29、 B(1),(Zn1-xCdx)4Sb3之Seebeck係數隨溫度之變化…73
圖4.30、 B(2),(Zn1-xCdx)4Sb3之Seebeck係數隨溫度之變化…74
圖4.31、 B(3),(Zn1-xCdx)4Sb3之Seebeck係數隨溫度之變化…74
圖4.32、 Zn3.4Cd0.6Sb3之熱導隨溫度之變化……………………77
圖4.33、 Zn3.3Cd0.7Sb3之熱導隨溫度之變化……………………78
圖4.34、 Zn3.2Cd0.8Sb3之熱導隨溫度之變化……………………79
圖4.35、 Zn3.1Cd0.9Sb3之熱導隨溫度之變化……………………80
圖4.36、 Zn3.0Cd1.0Sb3之熱導隨溫度之變化……………………81
圖4.37、 A(1),(Zn1-xCdx)4Sb3之熱導隨溫度之變化……………82
圖4.38、 B(1),(Zn1-xCdx)4Sb3之熱導隨溫度之變化……………82
圖4.39、 B(2),(Zn1-xCdx)4Sb3之熱導隨溫度之變化……………83
圖4.40、 B(3),(Zn1-xCdx)4Sb3之熱導隨溫度之變化……………83
圖4.41、 Zn3.4Cd0.6Sb3之ZT值隨溫度之變化……………………86
圖4.42、 Zn3.3Cd0.7Sb3之ZT值隨溫度之變化……………………87
圖4.43、 Zn3.2Cd0.8Sb3之ZT值隨溫度之變化……………………88
圖4.44、 Zn3.1Cd0.9Sb3之ZT值隨溫度之變化……………………89
圖4.45、 Zn3.0Cd1.0Sb3之ZT值隨溫度之變化……………………90
圖4.46、 A(1),(Zn1-xCdx)4Sb3之ZT值隨溫度之變化……………91
圖4.47、 B(1),(Zn1-xCdx)4Sb3之ZT值隨溫度之變化……………91
圖4.48、 B(2),(Zn1-xCdx)4Sb3之ZT值隨溫度之變化……………92
圖4.49、 B(3),(Zn1-xCdx)4Sb3之ZT值隨溫度之變化……………92
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