[發明專利]一種快速制備高性能Mg2Si基熱電材料的方法

有效

• 申請號: 201310358162.8
• 申請日: 2013-08-16
• 公開（公告）號: CN103436723A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 唐新峰;張強
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: C22C1/05
• 分類號: C22C1/05;C22C23/00;H01L35/18
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

技術領域

本發明屬于新能源材料制備技術領域，具體涉及一種快速制備高性能Mg₂Si基熱電材料的方法。

背景技術

自然環境的日益破壞和化石能源的日漸衰竭，已經成為世人高度關注的重要議題。可持續發展戰略的提出，無疑是順應當下現實發展需求一個前瞻性成果。為了減輕環境破壞與能源消耗的負擔，全球很多科學工作者正在將其注意力集中在尋找和開發可再生的新能源上。

熱電轉換技術能夠通過熱電材料的Seebeck效應和Peltier效應實現電能和熱能之間的直接的相互的轉換，其作為一種環境友好型的能源轉換技術在工業余熱及廢熱，汽車廢氣等回收利用方面有著重要的應用前景。同時它還具有無傳動部件、體積小、無噪音、可靠性好等優點。熱電材料的轉換效率主要由熱電優值ZT決定，ZT=a?²s?T/k，其中a為Seebeck系數、s為電導率、k為熱導率、T為絕對溫度。

Mg₂Si基體系的熱電材料，具有優異的電性能和較低的熱導率，因而具有較高的ZT值。同時，其擁有原料蘊藏豐富、價格低廉、無毒和無污染等優點。

目前，制備Mg₂Si基熱電材料的方法主要采用熔融法和固相反應法。然而，組成元素較大的熔點差異，Mg的熔點649℃，Si的熔點1414℃，以及Mg的高飽和蒸汽壓和強反應活性（對玻璃管腐蝕相當嚴重），使得熔融法并不能獲得組成的精確控制（Mg的揮發和氧化等）。低溫固相反應，雖然較好地改善了Mg的揮發損失，但是反應時間較長。因此，一種簡單快捷、能耗少、重復性好的合成方法對于制備Mg₂Si基熱電材料來說，顯得非常重要。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足而提供一種快速制備高性能Mg₂Si基熱電材料的方法，反應速度快、工藝簡單、重復性好，制備得到Mg₂Si基致密塊體熱電材料熱電性能優良。

本發明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為：

一種快速制備高性能Mg₂Si基熱電材料的新方法，它包括以下步驟：

1）按Mg_2(1+0.02)Si_1-xSb_x（0≤x≤0.025）各原子的化學計量比進行稱量，然后將它們研磨混合均勻，將混合均勻的粉末壓成塊體；?

2）將步驟1）所得塊體引發自蔓延反應（SHS，Self-propagating?High-temperature?Synthesis）反應完成后自然冷卻，均可得到單相?Mg₂Si化合物；

3）將上述所得產物研磨成粉末，進行放電等離子體活化燒結（PAS，Plasma?Activated?Sintering），得到高性能Mg₂Si基熱電材料。

上述方案中，所述步驟1）中Mg粉、Si粉的質量純度不低于99.9%。

上述方案中，所述步驟2）中自蔓延反應是對塊體端部進行加熱至引發反應。

上述方案中，所述步驟2）中自蔓延反應中使用空氣氣氛或真空。

上述方案中，所述步驟3）粉末進行放電等離子體活化燒結的過程為：將粉末裝入直徑為15mm的石墨模具中壓實，然后在真空小于10Pa和燒結壓力為33MPa條件下進行燒結，以100℃/min的升溫速率升溫到800℃，燒結致密化時間7min。

上述制備方法得到了高性能Mg₂Si基致密塊體熱電材料，熱電性能優值ZT在875K達到0.73。

以上述內容為基礎，在不脫離本發明基本技術思想的前提下，根據本領域的普通技術知識和手段，對其內容還可以有多種形式的修改、替換或變更，如自蔓延反應氣氛可換為其它不與Mg粉和Si粉反應的惰性氣體等。

本發明需要對原料提供必要的能量誘發熱化學反應，形成燃燒波，此后的反應就在之前反應所釋放熱量的支持下繼續進行，反應蔓延結束后形成所需的Mg₂Si基熱電材料粉體。

與現有的Mg₂Si制備方法相比，本發明的優點為：