界面热阻对(1-x)La₀.₉₅Sr₀.₀₅Co₀.₉₅Mn₀.₀₅O₃/(x)WC复合材料热电性能的影

搁浅

界面热阻对(1-x)La₀.₉₅Sr₀.₀₅Co₀.₉₅Mn₀.₀₅O₃/(x)WC复合材料热电性能的影响（DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2022.03.062）

摘要：本研究系统探讨了第二相粒径与界面热阻（Rᵢₙₜ）对(1-x)La₀.₉₅Sr₀.₀₅Co₀.₉₅Mn₀.₀₅O₃（LSCMO）/(x)WC热电复合材料声子热导率（κₚₕ）的协同调控机制。通过Bruggeman非对称模型关联Rᵢₙₜ与Kapitza半径（aₖ），发现当WC纳米颗粒（150-200 nm）粒径小于aₖ（~720 nm）时，复合材料κₚₕ显著低于基体。WC的引入同时提升电导率（σ）并降低κₚₕ，使x=0.010的复合材料在463 K下实现zT=0.20，为LaCoO₃基体系该温区最高值。研究为通过弹性失配设计低κₚₕ热电材料提供了新思路。

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1. 背景与挑战
热电技术可回收废热为电能，但其效率受限于无量纲优值zT=σα²T/(κₚₕ+κₑ)。氧化物材料（如钴酸盐）因高温稳定性成为研究热点，却面临σ低与κₚₕ高的瓶颈。传统降低κₚₕ的策略（如纳米结构化）常伴随σ恶化，而复合材料中界面热阻（Rᵢₙₜ）与声子散射的关联尚未被深入探索。

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2. 材料设计与实验验证
2.1 复合材料制备
采用固相法合成LSCMO基体，通过放电等离子烧结（SPS）引入不同体积分数（x=0-0.05）的WC纳米颗粒（150-200 nm）。XRD与SEM证实WC均匀分布于晶界，且无杂相。
2.2 热电性能协同优化

• 电输运：WC的高σ（5×10⁴ S/cm）使复合材料σ从40 S/cm（x=0）增至90 S/cm（x=0.05），而Seebeck系数（α）仅从260 μV/K降至186 μV/K，功率因子（α²σ）提升30%。
• 热输运：κₚₕ随x增加单调下降，x=0.010时κₚₕ降低25%（300 K）。通过Wiedemann-Franz定律分离κₑ与κₚₕ，发现κₚₕ抑制是zT提升的关键。
  

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3. 界面热阻的微观机制
3.1 声学阻抗失配（AIM）模型
计算LSCMO与WC的声子透射概率η=7.46%，表明界面反射可显著散射声子。但AIM模型预测需结合粒径效应才能解释实验结果。
3.2 Kapitza半径与Bruggeman模型

• Rᵢₙₜ与aₖ的定量关联：通过Debye模型计算Rᵢₙₜ=7.05×10⁻⁷ m²K/W，对应aₖ=720 nm（300 K）。
• 粒径阈值效应：Bruggeman模型揭示，当WC粒径<aₖ时，κₚₕ低于基体（图5c）。实验上，150-200 nm WC使κₚₕ降低至1.0 W/mK（x=0.010），验证理论预测。
  

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4. 性能突破与展望
x=0.010的复合材料在463 K下zT=0.20，较基体提升43%，归因于σ↑+κₚₕ↓的协同。未来可通过以下策略进一步优化：

• 粒径调控：减小WC至<100 nm以增强界面散射；
• 能带工程：通过掺杂优化LSCMO载流子浓度，平衡α与σ；
• 多尺度界面：引入第二相（如石墨烯）构建多级声子散射网络。
  

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5. 结论
本研究阐明了Rᵢₙₜ与粒径对κₚₕ的调控规律，为热电复合材料的设计提供了“弹性失配-界面散射”的新范式，推动氧化物在废热回收领域的应用。