[發明專利]一種超快速制備n型碲化鉍基高性能熱電材料的方法

有效

• 申請號: 201310567679.8
• 申請日: 2013-11-15
• 公開（公告）號: CN103928604A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 唐新峰;鄭剛;蘇賢禮;鄢永高
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: H01L35/34
• 分類號: H01L35/34;H01L35/16;B22F3/08;B22F3/105
• 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領域，具體涉及一種超快速制備n型碲化鉍基高性能熱電材料的方法。?

背景技術

全球每年消耗的能源中約有70%以廢熱的形式被浪費掉，如果能將這些廢熱進行有效的回收利用，將極大的緩解能源短缺的問題。熱電轉換技術是利用半導體熱電材料的賽貝克（Seebeck）效應和珀爾帖（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。這種技術具有系統體積小、可靠性高、運行成本低、壽命長、制造工藝簡單、環境友好、適用溫度范圍廣等特點，作為特殊電源和精密溫控器件在空間技術、軍事裝備等高新技術領域已經獲得了較多應用。作為一種新型、環境協調型潔凈能源轉換技術，熱電轉換技術近20年來在國際上受到矚目。熱電轉換器件的核心是熱電材料，其轉換效率主要取決于熱電材料的無量綱優值zT，它由下式表示：zT=a²s?T/?(k_C+k_L)，其中a，s和T分別表示材料的Seebeck系數，電導率和絕對溫度，k_C、k_L分別為載流子熱導率和晶格熱導率。?

碲化鉍基熱電化合物是國際上研究最早，也是目前發展最為成熟的低溫熱電材料，廣泛應用于熱電制冷器件。目前，商業應用的碲化鉍基熱電材料是采用區熔法制備的，n型碲化鉍基熱電材料最高zT值為0.80-1.0，p型碲化鉍基熱電材料最高zT值為0.90-1.1。但是區熔法制備的碲化鉍基材料取向性大、機械加工性差，導致實際器件應用中損壞較大，不利于器件的長期服役和大規模應用，因此近幾年很多科學家和學者致力于研究熱電性能和機械性能均優異的碲化鉍基熱電材料。陳立東等人（Jun?Jiang?et?al,?Materials?Science?and?Engineering，2005,117,334-338）利用等離子燒結法制備的n-Bi₂Te_2.7?Se_0.3，其最大熱電優值zT?為0.8，同時也獲得了比區熔樣品高出7~8?倍的抗彎強度。唐新峰等人（Shanyu?Wang,?J.?Phys.?D:?Appl.?Phys,?2010,?43,?335404）采用熔融旋甩結合放電等離子燒結制備的n-Bi_1.9Sb_0.1Te_2.55Se_0.45，其最大熱電優值zT為1.0。但是這些方法工藝復雜、制備周期長、使用儀器昂貴、成分難以精確調控，嚴重制約材料的大規模生產，因此發展新的能精確控制材料成分、制備周期短、便于工業化生產的高性能碲化鉍基塊體熱電材料的制備技術是其研究面臨的重要課題。?

自蔓延燃燒合成是利用反應自身放熱來合成制備材料的新技術。它具有反應時間極短、工藝簡單、對設備要求低、節能環保、適宜規模化生產等優點。等離子活化燒結是在真空條件下，通過上下石墨壓頭對樣品進行加壓，同時利用脈沖電流進行表面活化和直接加熱，能夠在較短時間內實現材料的致密化。鑒于自蔓延燃燒合成和等離子活化燒結制備技術的眾多優點，我們有望將其應用到碲化鉍基熱電材料的研究中來解決其面臨的眾多課題。?

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超快速制備n型碲化鉍基高性能熱電材料的方法，該方法不僅具有制備時間短、工藝簡單、適宜規模化生產，同時所制備的產物無量綱熱電優值zT在426?K時達到0.95，300?-520?K時zT值均大于0.7。?

本發明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為：?

一種超快速制備n型碲化鉍基高性能熱電材料的方法，它包括以下步驟：

1）按化學式Bi₂Te_3-xSe_x中各元素的化學計量比稱量Bi粉、Te粉和Se粉作為原料，其中x大于等于0且小于等于3，并將Bi粉、Te粉和Se粉混合均勻后，壓成塊體；

2）將步驟1）所述塊體采用直接起爆或恒溫起爆的方式引發自蔓延反應，反應完成后自然冷卻，得到單相化合物Bi₂Te_3-xSe_x塊體；