[發明專利]一種碲化鉍基熱電材料的套管鍛壓制備方法

無效

• 申請號: 201010609496.4
• 申請日: 2010-12-28
• 公開（公告）號: CN102534278A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 王忠;蔣利軍;丁正;朱磊;簡旭宇
• 申請（專利權）人: 北京有色金屬研究總院
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C29/00
• 代理公司: 北京北新智誠知識產權代理有限公司 11100
• 代理人: 程鳳儒

技術領域

本發明屬于能源材料技術領域，涉及一種碲化鉍基熱電材料的新型制備方法。

背景技術

熱電材料是一種能將熱能和電能進行轉換的功能材料，用其制成的器件具有無噪聲、無振動、無磨損，運行壽命長，維修少，可靠性高，無污染等特點。碲化鉍基合金迄今仍是室溫附近性能最佳的熱電材料，目前在光電子、微電子器件，醫療儀器，溫度控制等方面已得到了應用，大多數商用電子制冷元件都是采用這類材料。碲化鉍基合金為六面體層狀結構，其熱電性能呈很強的各向異性，在平行于(001)的方向上具有最大的ZT值。因此，通常采用區熔法等晶體生長的方式制備具有良好晶粒取向的材料，目前市售的商品碲化鉍基本都是采用這種方法制備，其ZT值可達到1左右。但是，該方法所制備的碲化鉍基材料存在的最大問題是因材料容易沿著解理面開裂致使機械強度低，加工性能和使用可靠性都較低，限制了其應用的場合。為了滿足對材料強度的要求，制備多晶碲化鉍材料的粉末冶金方法受到了人們的重視，如無壓燒結、熱壓燒結、放電等離子燒結等。一般而言，其機械強度比區熔法制備的材料要高得多，但因取向程度不高其熱電性能往往要稍遜一籌。近年來，人們在傳統的粉末冶金方法的基礎上，采取了一系列提高碲化鉍基材料晶粒取向程度的措施來進一步提高材料的綜合性能，如熱擠壓方法，兩次熱壓及兩次放電等離子燒結等方法(參見中國發明專利200910096346.5和200710175308.X)，材料的熱電性能得到提高。但是，這些方法仍存在著設備復雜、制備工藝流程長、效率低、能耗高的缺陷。所以，尋求一種工藝簡單、節能高效，材料綜合性能高的制備方法具有重要的意義。

發明內容

碲化鉍基材料的最大特點在于熱電性能的各向異性，因此如何在用粉末冶金方法制備時盡可能地提高材料的晶粒取向程度，對改善材料的熱電性能具有良好的作用。本申請利用材料在壓力加工變形過程中易于形成變形織構的特點，提供了一種低成本地制備強取向性、高機械強度碲化鉍基熱電材料的方法。制備成本低，所需設備簡單，所制備的碲化鉍基合金熱電性能好、機械強度高，是一種有希望的新型碲化鉍基塊體熱電材料制備方法。

為了達到上述目的，本發明采取下述技術方案：

本發明的具體的工藝流程如下：

(1)備料：以高純單質Bi、Te、Sb為原料，按化學式(Bi_1-xSb_x)₂Te₃配料，其中0＜x≤0.9；或以高純單質Bi、Te、Se為原料，按化學式Bi₂(Se_yTe_1-y)₃配料，其中0＜y≤0.2。將所配原料以熔煉等方式制成碲化鉍基塊體材料，之后將該材料經粉碎、研磨、過篩制成粉末備用；

(2)裝管：將上述粉末裝入套管，套管置于冷壓模中，用壓力機將粉末壓實成塊體坯料。之后去除高于樣品的多余的套管，使套管與樣品的上下沿平齊；

(3)預燒結：將帶有套管的樣品放置于熱鍛模具中，將帶有套管的樣品連同熱鍛模具加熱到300～580℃，燒結保溫3Min～1h，在加熱保溫及鍛壓過程中，可以向模具中通入氬氣或氮氣用于防止樣品被氧化；

(4)鍛壓：在加熱和保溫完畢后，用液壓機施加以20～900MPa的鍛壓壓力將帶套管的碲化鉍基塊體合金熱電材料墩鍛至充滿模腔，或進行保壓；或不進行保壓，將帶套管的碲化鉍基塊體合金熱電材料直接從熱鍛模具中取出；其中在進行保壓情況下，以該壓力(即20～900MPa)保持1～20Min的時間；

(5)去皮：將帶套管的碲化鉍基塊體合金熱電材料從模具中取出之后，待冷卻到室溫后，去除套管，即得到所需的碲化鉍基塊體熱電材料。

本發明所述的碲化鉍基合金材料包括碲化鉍、碲化鉍銻、碲化鉍硒等二元和三元的碲化鉍基合金材料，P型碲化鉍基材料符合化學式：(Bi_1-xSb_x)₂Te₃(0＜x≤0.9)，N型碲化鉍基材料符合化學式：Bi₂(Se_yTe_1-y)₃(0＜y≤0.2)。

在所述的步驟(1)中，所述的熔煉方式為真空爐熔煉、真空感應加熱熔煉或真空區域熔煉。

在所述的步驟(1)中，所制成粉末的粒度小于100目，所制成粉末的粒度優選小于200目，所制成粉末的粒度更優選小于300目。