CoSb₃基方钴矿热电材料保护涂层研究进展

包鑫^1,2，柏胜强²，吴子华¹，吴汀²，顾明²，谢华清¹

1. 上海第二工业大学环境与材料工程学院2. 中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家重点实验室

摘 要：热电转换技术可以利用固体中载流子输运实现热能与电能之间的相互转换,该技术具备无污染、无传动、无噪声等一系列优势。在太阳能光热复合发电、工业生产余废热回收利用等方面都极具潜力,为缓解环境及能源压力提供了新的研究方向。热电转换技术的性能通过无量纲优值ZT来衡量,ZT=S²σT/κ,其中S是塞贝克系数,σ是电导率,T是绝对温度,κ是热导率。但目前热电器件转换与普通热机发电效率存在较大的差距,相对较低的转换效率是由于材料热电转换性能较低,即ZT优值较低导致。理论研究表明,热电材料ZT优值达到1以上就具备了商业应用价值。作为典型电子晶体-声子玻璃热电材料之一,锑化钴（CoSb₃）基方钴矿热电材料具有优异的热电性能,在过去20多年被广泛研究。填充、掺杂、纳米复合等方式能有效提升CoSb₃基热电材料的性能,其ZT值从CoSb₃二元方钴矿的0.5左右提升到了填充方钴矿的1.7～2.0。CoSb₃基方钴矿成为了最具潜力的中温区（500～850 K）的发电热电材料之一,CoSb₃基方钴矿热电器件的设计、集成、服役行为也随之展开。相关研究显示,CoSb₃基方钴矿热电转换器件在高温服役过程中,材料的劣化（如材料的氧化,元素的升华以及服役期间界面扩散等）会导致整个器件性能的降低,严重阻碍了方钴矿材料的商业化应用。打破限制CoSb₃基方钴矿器件实际应用的技术壁垒,扩大其应用领域,解决CoSb₃基方钴矿材料本身高温劣化性问题是当前方钴矿器件研究的热点之一。本文综述了CoSb₃基方钴矿热电材料的氧化、Sb元素升华等导致材料及器件失效的主要形式和各种CoSb₃基方钴矿热电材料保护涂层的最新研究进展,如金属类涂层Ti、Mo、Pt等,非金属类涂层玻璃、陶瓷、气凝胶等,以及复合涂层对方钴矿基材料的保护性能,以期为CoSb₃基方钴矿热电器件材料劣化性问题的解决提供参考。在热电器件实际服役中,各种热电材料都存在元素升华的现象,并且这些材料在氧分压过高的环境中工作同样面临着氧化问题,该综述对其他热电材料的保护、延长热电器件的使用寿命方面也具有一定的参考价值。

关键词：热电材料;方钴矿;高温防护涂层;锑化钴（CoSb₃）;失效;复合涂层;