[發(fā)明專利]一種納米復(fù)合結(jié)構(gòu)Mg2Si基熱電材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210366280.9
• 申請日: 2012-09-27
• 公開（公告）號: CN103700759A
• 公開（公告）日: 2014-04-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張忻;劉洪亮;武鵬旭;路清梅;張久興
• 申請（專利權(quán)）人: 北京工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H01L35/14
• 分類號: H01L35/14;H01L35/34
• 代理公司: 北京思海天達(dá)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11203
• 代理人: 劉萍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于半導(dǎo)體熱電材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及為一種納米復(fù)合結(jié)構(gòu)Mg₂Si基熱電材料及其制備方法。

背景技術(shù)

熱電材料是一種通過固體內(nèi)部載流子（電子或空穴）的運(yùn)動實(shí)現(xiàn)電能和熱能相互轉(zhuǎn)換的一種功能材料。當(dāng)熱電材料兩接點(diǎn)處存在溫差時(shí)，熱電材料能將電能轉(zhuǎn)化為熱能；或反之在熱電材料中通一電流時(shí)，熱電材料能將電能轉(zhuǎn)化為熱能，一端放熱，一端吸熱。熱電材料在制冷或發(fā)熱方面有廣泛的應(yīng)用前景。用熱電材料制造的發(fā)電裝置、制冷裝置或在工業(yè)余熱、廢熱發(fā)電領(lǐng)域，半導(dǎo)體制冷領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。用熱電材料制造的裝置具有無機(jī)械運(yùn)動部件、無噪聲、免維護(hù)等突出優(yōu)點(diǎn)，具有很好的環(huán)保性。

熱電材料性能用“熱電優(yōu)值”ZT表示：ZT=（α²σ/κ）×T。這里α是材料的塞貝克系數(shù)，σ是電導(dǎo)率，κ是熱導(dǎo)率。ZT越高，材料的熱電轉(zhuǎn)換效率越高。Mg₂Si基熱電材料原料資源豐富、地層蘊(yùn)藏量大、價(jià)格低廉，無毒無污染，被認(rèn)為是環(huán)境友好型綠色能源材料，并有可能成為大規(guī)模應(yīng)用的最佳候選者，因此如何制備出高性能的Mg₂Si基熱電材料成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

Mg₂Si體系熱電材料的制備主要有固相反應(yīng)、熔煉結(jié)合熱壓燒結(jié)或放電等離子燒結(jié)等方法，由于Mg元素極易揮發(fā)和氧化，導(dǎo)致高性能Mg₂Si基熱電材料的制備非常困難，從而也限制了其大規(guī)模應(yīng)用。近年來，在元素?fù)诫s改善材料熱電性能的基礎(chǔ)上，通過材料微觀結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合化實(shí)現(xiàn)電、熱輸運(yùn)的協(xié)同調(diào)控，從而優(yōu)化熱電性能成為當(dāng)前提高材料熱電優(yōu)值ZT（ZT=α²σ/κT,?α-塞貝克系數(shù),?σ-電導(dǎo)率,?κ-熱導(dǎo)率）的有效手段。例如專利Bi₂Te₃基納米復(fù)合熱電材料（公開號CN?1546369A）公開了利用區(qū)熔定向法、溶劑熱法結(jié)合熱壓法制備高性能Bi₂Te₃基納米復(fù)合熱電材料的發(fā)明，將Bi₂Te₃基納米結(jié)構(gòu)粉末添加到Bi₂Te₃基熱電材料中，有效提高了材料的熱電功率因子。但該方法很難控制納米相的分布情況，難以避免引入界面污染，無法實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性，使材料的熱電性能改善有限。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種工藝流程簡單、成本低、熱電性能優(yōu)異的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)Mg₂Si基熱電材料的制備方法。

本發(fā)明快淬結(jié)合放電等離子燒結(jié)（SPS）法制備納米復(fù)合Mg₂Si基熱電材料的方法，是在表達(dá)式為Mg₂Si_1-xSn_x（0≤x≤0.6）的固溶體基體中存在非晶/納米晶的納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，晶粒得到顯著細(xì)化達(dá)到納米級別（10nm~200nm）。

本發(fā)明采用快淬結(jié)合放電等離子燒結(jié)（SPS）結(jié)合的方法制備納米復(fù)合結(jié)構(gòu)Mg₂Si基熱電材料，具體步驟如下：

1）采用高頻感應(yīng)懸浮熔煉設(shè)備，以Mg塊（純度99.9%）、Si塊（純度99.999%）、Sn塊（純度99.9%）為原料，按照化學(xué)式Mg₂Si_1-xSn_x（0≤x≤0.6）在Ar氣氛中配比稱重，將配制好的原料放入紫銅坩堝中進(jìn)行熔煉，采用經(jīng)脫氧后氬氣作為熔煉過程的保護(hù)氣氛，熔煉時(shí)間為80~120s，電爐功率控制在14~20kw范圍內(nèi)。

2）采用感應(yīng)熔煉快淬爐設(shè)備，將熔煉好的成分為Mg₂Si_1-xSn_x（0≤x≤0.6）的鑄錠裝入下端開口的石英管內(nèi)，然后豎直置于快淬設(shè)備腔體的感應(yīng)熔煉線圈中，腔體抽真空，通過快淬設(shè)備向腔體充入保護(hù)氬氣，調(diào)節(jié)噴注壓力大于腔體氣壓，使感應(yīng)熔煉塊體達(dá)到熔融態(tài)在噴注壓力下將熔體噴到快速旋轉(zhuǎn)的銅輥上甩出，成帶材，收集帶材。