[發明專利]一種Fe摻雜BiCuSeO熱電材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201710930222.7
• 申請日: 2017-10-09
• 公開（公告）號: CN107644933A
• 公開（公告）日: 2018-01-30
• 發明（設計）人: 樊希安;馮波;江程鵬;李光強;賀鑄;李亞偉
• 申請（專利權）人: 武漢科技大學
• 主分類號: H01L35/16
• 分類號: H01L35/16;H01L35/34
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 張火春

技術領域

本發明屬于熱電材料技術領域。具體涉及一種Fe摻雜BiCuSeO熱電材料及其制備方法。

背景技術

熱電材料能夠實現熱能和電能的直接轉換，在利用高溫工業低品位余熱和分布式低溫余熱進行溫差發電方面具有較好的應用前景，已成為當前材料領域的研究熱點。決定材料熱電轉換效率的關鍵參數“無量綱優值”ZT＝(S²σ/κ)T；其中：S為塞貝克系數、σ為電導率和κ為熱導率。一種性能優良的熱電材料應該滿足高電動勢、高電導率和低熱導率的要求。目前技術上較為成熟、性能較好的熱電材料多為金屬半導體合金，雖然其熱電轉換效率相對較高，但在高溫下不穩定和容易氧化，且多數原材料價格昂貴，并含有對人體有害的重金屬。

相比之下，氧化物熱電材料具有優良的熱穩定性、化學穩定性、高溫抗氧化性且安全無毒，但由于電導率較低和電輸運性能較差，導致無量綱熱電優值ZT不高，限制了它的應用。BiCuSeO基熱電材料由于其特殊的自然超晶格結構和低楊氏模量等特點，其熱導率在室溫條件下為0.6Wm^-1K^-1和923K條件下為0.4Wm^-1K^-1，塞貝克系數在300K到923K溫度范圍內大于300μVK^-1，是一種很有前景的熱電材料。但與其它氧化物熱電材料一樣，同樣存在電導率不高、電輸運性能較差、功率因子較低和無量綱熱電優值ZT較低的缺陷。

發明內容

本發明旨在克服現有技術缺陷，目的在于提供一種工藝簡單、生產效率高的Fe摻雜BiCuSeO熱電材料的制備方法，所制備的Fe摻雜BiCuSeO熱電材料純度高、熱導率低、電導率較高、電傳輸性能好、功率因子較高和無量綱熱電優值ZT較高。

為實現上述之目的，本發明采用的技術方案為：所述Fe摻雜BiCuSeO熱電材料的化學式為Fe_xBi_1-xCuSeO，0.01≤x≤0.08，所述Fe摻雜BiCuSeO熱電材料的制備方法是：

第一步、按照氧化鉍粉∶銅粉∶硒粉∶鉍粉∶鐵粉的物質的量之比為1∶3∶3∶(1-3y)∶3y配料，0.01≤3y＝x≤0.08，然后混合均勻，得混合粉末。

第二步、將所述混合粉末裝入球磨罐中，在惰性氣氛條件下球磨5～12h，制得單相Fe_xBi_1-xCuSeO粉末，0.01≤x≤0.08。

第三步、將所述單相Fe_xBi_1-xCuSeO粉末裝入模具，置于等離子體活化燒結爐內，然后同時開始勻速升溫和勻速升壓，同時升至溫度為500～700℃和升至壓強為30～100MPa，同時保溫和保壓，保溫和保壓的時間均為3～20min，再同時開始勻速降溫和勻速降壓，同時降至常溫和常壓。

所述勻速升溫的速率為20～100℃/min；所述勻速降溫的速率為20～50℃/min。

第四步、取出燒結后的模具，脫模，即得Fe摻雜BiCuSeO熱電材料。

所述氧化鉍粉的純度為≥99.99wt％，氧化鉍粉的粒徑≤150μm。

所述銅粉的純度為≥99.99wt％；銅粉的粒徑≤150μm。

所述硒粒的純度為≥99.99wt％；硒粒的粒徑為≤150μm。

所述鉍粉的純度為≥99.99wt％；鉍粉的粒徑≤150μm。

所述鐵粉的純度為≥99.99wt％；鐵粉的粒徑≤150μm。

所述球磨的設備為高能行星球磨機，球料質量比為(10～25)∶1，所述高能行星球磨機的轉速為200～600r/min。

由于采用上述技術方案，本發明具有以下優點：

1、本發明以Bi₂O₃、Cu、Se、Bi和Fe粉為原料，采用機械合金化結合等離子體活化燒結工藝，球磨5～12h，即可獲得單相Fe_xBi_1-xCuSeO(0.01≤x≤0.08)粉末；等離子體活化燒結時間最短只需18min，即在較短時間內能快速制得Fe摻雜BiCuSeO熱電材料(以下簡稱熱電材料)，所制熱電材料相對密度超過98％，具有工藝簡單、生產周期短、生產效率高、產品純度高和致密度高的特點。

2、本發明采用機械合金化結合等離子體活化燒結技術制得的所述熱電材料，不僅晶粒細小且成片層狀，且可形成彌散分布的納米相，能有效降低所述熱電材料的熱導率。