[發明專利]一種3D打印成型碲化鉍基熱電材料的方法

在審

• 申請號: 201711078789.2
• 申請日: 2017-11-06
• 公開（公告）號: CN109748588A
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發明（設計）人: 熊新紅;柳丹輝;劉寧;章橋新;朱超
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: C04B35/547
• 分類號: C04B35/547;C04B35/622
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 孫方旭

本發明公開了一種3D打印成型碲化鉍基熱電材料的方法，包括以下步驟，首先制備碲化鉍/環氧樹脂3D打印混合粉末，然后進行塊體熱電材料試樣3D打印成型，再將塊體熱電材料試樣熱處理。本發明提供的工藝過程簡單、成型精度高、材料利用率高的快速制備高熱電性能Bi₂Te₃基熱電材料的生產方法，利用選擇性激光燒結3D打印技術加熱速度快，冷卻速率高，能細化晶粒組織，與其它制備方法相比，制備時間較短、燒結效率高、燒結過程無污染等優點，采用該技術進行Bi₂Te₃基熱電材料粉末成型，克服了傳統加工方法的缺點，提高了制件的質量并提高效率，進而推動熱電元器件在工業上的應用。

技術領域

本發明屬于熱電材料成型新工藝領域，尤其涉及一種3D打印成型碲化鉍基熱電材料的方法。

背景技術

熱電材料(Thermoelectric Materials)，也稱為能源轉換材料或溫差電材料，是一種將熱能與電能直接相互轉換的功能性新材料。它集兩種功能于一身，利用它制成的溫差發電機可以直接把熱能轉化為電能，也可制成熱電制冷機從而利用電能直接進行制冷。由于其應用不需要使用傳動部件，工作時無噪音、無排棄物，材料性能可靠，使用壽命長，是一種具有廣泛應用前景的環境友好材料。隨著人類活動以及工業化革命的不斷進行，傳統的一些不可再生能源(如煤、石油、天然氣等)開始日益枯竭，能源問題越來越成為世界各國關注的焦點。尋找清潔安全的新能源、提高現有能源使用效率的工作已經迫在眉睫，而新能源的開發利用需要借助能源轉換材料來實現。目前，研究較為成熟且應用于熱電發電技術的是合金熱電材料，主要有Bi₂Te₃，PbTe和SiGe合金等。其中，Bi₂Te₃是目前常溫下應用最廣泛，性能最優異的一類熱電材料，主要用于制冷器。

Bi₂Te₃的晶體結構屬三方晶系沿c軸方向可視為六面體的層狀結構，每個晶胞由3層Te和2層Bi交疊排布，層與層之間呈-Te⁽¹⁾-Bi-Te⁽²⁾-Bi-Te⁽¹⁾-的原子排布方式。Bi₂Te₃基熱電材料在晶體結構上的各向異性，導致了其物理輸運性能和熱電性能也呈現各向異性。在室溫下，對于單晶Bi₂Te₃基熱電材料，垂直于c軸方向的熱導率是平行于c軸方向的熱導率的2倍左右，垂直于c軸方向的電導率是平行于c軸方向的電導率的3～4倍左右，因此垂直于c軸方向的熱電性能更好。但是，由于Te⁽¹⁾-Te⁽¹⁾之間以較弱的范德華力結合，從而使其極易沿基面發生解理而惡化材料的可加工性以及元器件的使用可靠性。

目前，Bi₂Te₃系熱電材料的制備方法主要有區熔法、熱壓成型、等離子活化燒結成型、機械合金化法、溶劑熱合成法等。然而，用現有的制備方法制備Bi₂Te₃系熱電材料都或多或少存在一些問題，因此研究出一種快速制備高熱電性能Bi₂Te₃基材料的生產工藝對其應用非常重要。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是，提供一種3D打印成型碲化鉍基熱電材料的方法，周期短，精度高，粉末材料能夠得到充分的利用，不會造成材料的浪費，燒結出的試樣外形規整，尺寸精確，表面較為光滑。