[發(fā)明專利]一種填充方鈷礦基復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910196619.3
• 申請日: 2009-09-28
• 公開（公告）號: CN102031416A
• 公開（公告）日: 2011-04-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳立東;熊震;陳喜紅;黃向陽;張文清;何琳
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所;康寧股份有限公司
• 主分類號: C22C12/00
• 分類號: C22C12/00;C22C1/04
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司 31100
• 代理人: 彭茜茜;白益華

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于熱電材料領(lǐng)域，具體地涉及一種具有優(yōu)異熱電性能的填充方鈷礦基復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種利用材料的塞貝克(Seebeck)效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能、或利用材料的帕爾帖(Peltier)效應(yīng)進(jìn)行制冷的技術(shù)，該技術(shù)具有無運(yùn)動部件、可靠性高、壽命長和環(huán)境友好等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于廢熱發(fā)電、航空航天的電源、醫(yī)療衛(wèi)生制冷、家用制冷電器等領(lǐng)域。熱電轉(zhuǎn)換效率主要取決于材料的無量綱熱電性能因子ZT(ZT＝S²σT/κ，其中S為Seebeck系數(shù)，σ為電導(dǎo)率，κ為熱導(dǎo)率，T為絕對溫度)。材料的ZT值越高，熱電轉(zhuǎn)換效率越高。

當(dāng)p型和n型的熱電材料被組裝成熱電器件后，器件的熱電轉(zhuǎn)換效率與溫差和在整個冷熱端溫度范圍內(nèi)的平均Z值緊密相關(guān)。最大熱電轉(zhuǎn)換效率如下式所示：

ηmax=Th-TlTh(1+ZT‾)1/2-1(1+ZT‾)1/2+Tl/Th]]>

其中是平均溫度，Z＝S²σ/κ表示p型和n型半導(dǎo)體在T_l～T_h整個冷熱端溫度范圍內(nèi)的平均Z值。因此，對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，單一追求在某一溫度點(diǎn)的ZT值對效率的提高并無重大的實(shí)際意義，而是需要制備出在整個溫區(qū)范圍內(nèi)都擁有較高ZT值的材料。

填充方鈷礦因具有優(yōu)異的電傳輸性能和較低的熱導(dǎo)率而被認(rèn)為是應(yīng)用于中高溫區(qū)(500～800K)的理想熱電轉(zhuǎn)換材料。填充于二十面體籠狀結(jié)構(gòu)中的小半徑原子與周圍磷族原子形成弱鍵作用而產(chǎn)生擾動效應(yīng)，能有效散射聲子降低材料的晶格熱導(dǎo)率。人們常通過改變填充原子的種類和填充量來達(dá)到優(yōu)化材料熱電性能的目的，但由于晶格熱導(dǎo)率的降低往往伴隨著載流子濃度的顯著增大而惡化材料的Seebeck系數(shù)，填充方鈷礦的熱電性能難以通過單純改變填充因素來進(jìn)一步提高。

第二相作為聲子散射中心常被引入到熱電基體中，用來散射聲子，最大限度地降低材料的晶格熱導(dǎo)率。通常，第二相為納米第二相粒子。聲子具有較寬的頻率分布，不同尺寸的第二相粒子能有效散射相應(yīng)的具有相當(dāng)波長的聲子。一般認(rèn)為粒徑為50～300nm的粒子不會強(qiáng)烈影響載流子的傳輸特性。但當(dāng)?shù)诙嗔Ｗ恿郊?xì)化到10～20nm時，納米第二相對載流子的散射作用變得顯著起來，能過濾掉能量較低的電子。低能量電子對Seebeck系數(shù)貢獻(xiàn)較小，受到強(qiáng)烈散射后可導(dǎo)致材料Seebeck系數(shù)的大幅提高。又由于總熱導(dǎo)率的不變或略有下降，結(jié)果是材料的ZT值得到提高。納米粒子過濾低能量電子的示意圖如附圖1所示。

為了達(dá)到較理想的對聲子和電子的散射效果，在填充方鈷礦基體材料中均勻地引入納米第二相粒子顯得尤為重要。一般通過以下方法來引入納米第二相：