[發明專利]一種P型納米結構碲化鉍基塊體熱電材料的制備方法

無效

• 申請號: 201210173721.3
• 申請日: 2012-05-30
• 公開（公告）號: CN102694116A
• 公開（公告）日: 2012-09-26
• 發明（設計）人: 荊洪陽;陳嵐;徐連勇;韓永典
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: H01L35/34
• 分類號: H01L35/34
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 曹玉平

技術領域

本發明是關于熱電材料的，尤其涉及一種使用機械合金化(Mechanical?alloying，MA)結合真空熱壓燒結(Hot?Pressing，HP)的方法制備納米級P-型碲化鉍基(Bi_0.5Sb_1.5Te₃)塊體熱電材料的制備方法。

背景技術

熱電材料是利用熱電效應，通過材料內部載流子運動將熱能和電能相互耦合、相互轉換的一類重要的功能材料。熱電轉換技術是利用半導體熱電材料的賽貝克(Seebeck)效應和帕爾貼(Peltier)效應將熱能和電能進行直接轉換的技術，包括熱電發電和熱電制冷兩種方式。利用Seebeck效應可以用來發電，利用Peltier效應則可以實現制冷或溫度控制。該類材料在發電和制冷領域具有廣泛的應用前景，發電裝置具有體積小、無噪音、無磨損、可靠性好、壽命長等優點。Bi₂Te₃(碲化鉍)系半導體是目前室溫附近性能最優越的熱電材料之一，適用于工業廢熱發電、汽車廢氣發電等方面。熱電材料的熱電性能的優劣主要由熱電優值Z來表征：Z用下式定義：

Z＝S²σ/κ

式中，

S：賽貝克系數(V/K)

σ：電阻率(S/m)

κ：熱導率(W/Km)

由此可知，為了提高熱電材料的性能，有效的方法是增加賽貝克系數和電導率，降低熱導率。當前熱電材料研究領域的重點和難點在于制備出具有高性能和高機械性能的Bi₂Te₃系熱電材料。在Bi₂Te₃基體的熱電材料中，P-型Bi_0.5Sb_1.5Te₃具有很重要的研究價值。采用MA(機械合金化)的方法制備P-型Bi_0.5Sb_1.5Te₃熱電材料粉末，利用機械合金化過程中球磨機高速轉動所產生的機械能使原料粉末在固相下實現合金化，避免熔融狀態下Bi、Te等元素的揮發問題，能夠制備成分均勻、組織細小的材料，粉末的顆粒度可達納米級。成分的均勻分布有利于減少合金散射，提高電導率，而細小的晶粒尺寸增加了低頻聲子的散射，可以降低材料的熱導率，從而提高其熱電性能。機械合金化制得的P-型納米Bi_0.5Sb_1.5Te₃熱電材料粉末采用真空熱壓燒結制備塊體材料。熱壓工藝包括燒結溫度、壓力、氣氛、升溫速度、保溫時間等參數。采用不同的燒結溫度能顯著改變材料的熱導率和電導率。一般而言，溫度越高、壓力越大，燒結之后的樣品晶粒長大充分，致密度更好，具備更好的熱電性能。在燒結過程中引入惰性氣體，可以減少材料的氧化。

從目前的研究來看，采用機械合金化和真快熱壓燒結方法制備具有納米級顆粒的P-型Bi_0.5Sb_1.5Te₃熱電材料還未見報道。本發明采用機械合金化制備納米粉末，結合真空熱壓燒結方法來制備晶粒細小的P-型Bi_0.5Sb_1.5Te₃熱電材料塊體。通過細化晶粒來降低材料的熱導率，最終提高P-型Bi_0.5Sb_1.5Te₃熱電材料的熱電性能。

發明內容

本發明的目的是提供一種使用機械合金化結合真空熱壓燒結方法制備P型納米結構Bi_0.5Sb_1.5Te₃塊體熱電材料，通過對制備工藝的設計和控制來提高材料的熱電性能。

本發明以高純(99.99％)Bi粉、Sb粉和Te粉為原料，通過機械合金化合成Bi_0.5Sb_1.5Te₃化合物納米粉末，利用真空熱壓燒結法將Bi_0.5Sb_1.5Te₃前驅納米粉末燒結成致密的細晶塊體熱電材料。本發明所采用的技術方案是：采用機械合金化(MA)和真空熱壓燒結(HP)制備細晶的Bi_0.5Sb_1.5Te₃熱電材料的工藝。

本發明通過如下技術方案予以實現。