[發(fā)明專利]電場反應(yīng)熱壓法制備多孔納米鎂硅基塊體熱電材料的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310106901.4
• 申請日: 2013-03-29
• 公開（公告）號: CN103172346A
• 公開（公告）日: 2013-06-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳少平;樊文浩;孟慶森;李育德;張機源;李洋
• 申請（專利權(quán)）人: 太原理工大學
• 主分類號: C04B30/00
• 分類號: C04B30/00;C01B33/06
• 代理公司: 太原市科瑞達專利代理有限公司 14101
• 代理人: 盧茂春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明電場反應(yīng)熱壓法制備多孔納米鎂硅基塊體熱電材料的方法，屬于熱電材料及制備方法的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種采用電場反應(yīng)熱壓法一步制備多孔納米Mg₂Si基塊體熱電材料的方法，利用該方法可以一步實現(xiàn)Mg₂Si的反應(yīng)合成和致密化燒結(jié)，產(chǎn)物為顆粒度小于70nm的結(jié)構(gòu)且含有一定納米孔的Mg₂Si基熱電材料。利用該方法制備的Mg₂Si基塊體熱電材料具有多孔和納米的特征，有助于獲得較高的熱電轉(zhuǎn)換性能。

背景技術(shù)

目前Mg₂Si傳統(tǒng)的制備方法為利用單質(zhì)的Mg粉和Si粉直接反應(yīng)而成，或者利用其它方法制得Mg₂Si粉體后，再在真空壓力爐或等離子燒結(jié)爐中進行致密化得到塊體Mg₂Si熱電材料。存在的主要問題是：由于二者熔點相差較大，導致制備工藝復雜，耗時長，燒結(jié)后期晶粒長大嚴重。利用MgH₂粉取代純Mg粉后，可以有效降減少產(chǎn)物中MgO的含量，降低反應(yīng)溫度至350℃，經(jīng)過15-20小時的置換反應(yīng)后可以獲得納米級Mg₂Si粉體，但在后期的致密化燒結(jié)過程中不可避免地再次引入雜質(zhì)，且燒結(jié)溫度為650-700℃，導致晶粒長大嚴重，嚴重降低了Mg₂Si熱電材料的熱電傳輸性能。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明電場反應(yīng)熱壓法制備多孔納米鎂硅基塊體熱電材料的方法，目的在于：為了克服上述工藝制備Mg₂Si熱電材料的不足，本發(fā)明設(shè)計了一種電場反應(yīng)熱壓法一步制備多孔納米Mg₂Si塊體熱電材料的方法，該方法有利于克服傳統(tǒng)工藝中由于反應(yīng)時間長，燒結(jié)溫度高導致產(chǎn)物晶粒粗大和MgO雜質(zhì)含量高等不足，一步制得納米Mg₂Si基塊體材料，另外，通過向晶界引入少量納米孔有利于通過晶界定扎作用抑制晶粒長大，并且通過量子阱效應(yīng)加強聲子散射，進一步降低熱導率和提高熱電性能。

本發(fā)明電場反應(yīng)熱壓法制備多孔納米鎂硅基塊體熱電材料的方法，其特征在于是一種采用電場反應(yīng)熱壓法一步制備多孔納米Mg₂Si基塊體熱電材料的方法，該方法是在電場激活壓力輔助合成爐中進行，外加工頻交流電場和單向壓力通過促進MgH₂粉、納米Si粉、少量Y粉和Bi粉的界面緊密接觸和物質(zhì)輸運，同步完成化學反應(yīng)和產(chǎn)物粉體的燒結(jié)致密化，制備該材料的原材料MgH₂粉末的顆粒度≤45μm，純度≥99.5%，納米Si粉的顆粒度≤50nm,?純度≥99.90%，稀土金屬Y粉的顆粒度≤45μm，純度≥99.5%，重金屬Bi粉的顆粒度≤45μm，純度≥99.5%，摩爾混合比例為（2-x）：（1-y）：x：y（x≤0.01,y≤0.01），反應(yīng)方程為：(2-x)MgH_2?+?xY?+?(1-y)Si?+?yBi?=?Mg_2-xY_xSi_1-yBi_y?+?(2-x)H_2?（1）(x≤0.01,?y≤0.01)，在外加惰性保護氣體的作用下，生成的副產(chǎn)物H₂緩慢逸出，通過降低氧化勢，防止氧化鎂的進一步形成，同時在后期燒結(jié)過程中殘余氫氣逐漸聚集于晶界，對晶界起到釘扎作用，主要表現(xiàn)為當擴散原子由晶界流向氣孔時產(chǎn)生的晶界位移改變了氣孔表面曲率半徑，而該曲率半徑引起的化學位梯度正是晶粒生長的驅(qū)動力，當原子由孔洞流向晶界時，亞宏觀上便體現(xiàn)為晶粒生長受阻，具體方法及工藝步驟為：

1）首先將顆粒度≤45μm及純度≥99.5%的反應(yīng)物MgH₂粉末、顆粒度≤50nm及純度≥99.90%的納米Si粉、顆粒度≤45μm及純度≥99.5%的稀土金屬Y粉、顆粒度≤45μm和純度≥99.5%的重金屬Bi粉，以（2-x）：（1-y）：x：y的摩爾比例混合（x≤0.01,y≤0.01），球磨1-3小時保證混合均勻，形成混合粉末9；

2）然后將混合粉體9置于石墨模具4中的上壓頭6和下壓頭7之間，將裝配好的石墨模具置于反應(yīng)腔體3中，與上電極2和下電極5接觸，抽真空至10Pa以下，然后由氣瓶12向腔體中通入惰性保護氣體11，直至腔體內(nèi)壓強達到10⁵Pa并保持；