[發明專利]一種超晶格結構熱功能陶瓷材料及其制備方法與應用

有效

• 申請號: 201811534473.4
• 申請日: 2018-12-14
• 公開（公告）號: CN109659426B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 馮晶;李淑慧;葛振華;師曉莉
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: H01L35/22
• 分類號: H01L35/22;H01L35/34;C04B35/453
• 代理公司: 昆明知道專利事務所(特殊普通合伙企業) 53116
• 代理人: 謝喬良;張玉

本發明公開了一種超晶格結構熱功能陶瓷材料及其制備方法與應用。所述的超晶格結構熱功能陶瓷材料以純度大于99.99%的氧化銦、氧化鋅及氧化鎵作為前驅粉體，采用固相合成法，通過濕磨法球磨6小時，后置于烘箱中343K烘干，干燥的粉體研磨并過篩。將所獲得的粉體壓片，并放入高溫馬弗爐中，1473~1623K保溫后的樣品再次研磨過篩。將所獲粉體置于石墨模具中，采用放電等離子（SPS）燒結工藝在1173~1273K燒結0~20分鐘制備出InGaZn_kO_k+3陶瓷塊體。放電等離子燒結技術由于其特殊的燒結機理，使陶瓷能夠在較短的時間內和相對較低的溫度下實現致密化燒結，使其晶粒更加細小和均勻，試樣的力學性能優于傳統的馬弗爐燒結試樣。該工藝制備的InGaZn_kO_k+3陶瓷塊體具有層狀超晶格結構，可有效地降低熱導率。

技術領域

本發明屬于材料技術領域，具體涉及一種超晶格結構熱功能陶瓷材料及其制備方法與應用。

背景技術

中國作為世界上最大能源消費國，深受資源短缺和資源利用效率低等問題的困擾，迫切需要新的能源技術來緩解化石燃料過度消耗及其造成的環境破壞、氣候惡化等一系列問題。目前我國的總體能源利用效率為33%左右，比發達國家低約10個百分點，其中50%的工業耗能以各種形式的余熱被直接廢棄。因此，發展工業余廢熱的高效利用技術，對節能減排、保護環境，進一步提升我國制造業在國際市場上的競爭力和地位具有重要意義。

金屬氧化物多為離子晶體而長期被認為載流子遷移率低而不適合作為熱電材料。直至1997 年日本科學家Terasaki發現NaCo₂O₄單晶具有優異的熱電性能后，這一領域才引起人們的重視。與常用的合金熱電材料（如Bi-Te, Bi-Se 體系等）相比，氧化物熱電材料具有耐氧化、耐高溫、不含有毒易揮發元素等優點，適用于工業廢熱發電、汽車廢氣發電等方面。目前氧化物熱電材料的主要劣勢在于工作效率比較低。通常用無量綱優值ZT來衡量材料的熱電性能：ZT=S²σT/κ，其中T、S、σ和κ分別為絕對溫度、Seebeck系數、電導率和熱導率。因此，通過一定的工藝手段，提高材料的Seebeck系數S和電導率σ，降低熱導率κ，可以達到提高材料熱電性能的目的。與制備氧化物熱電陶瓷的傳統方法固相反應法相比，放電等離子體燒結（Spark Plasma Sintering，SPS）工藝具有燒結時間短，燒結溫度底，而且能有效控制晶粒的生長速度及壓力燒結等優點，因此SPS 被認為是制備熱電陶瓷材料的有利工藝之一。

目前氧化物熱電材料的研究中存在的主要問題仍是熱電性能相對來說比較低，即熱電轉換效率相對合金體系還有一定差距。提高氧化物熱電性能的途徑具有一定的局限性，電學傳輸性能提高的同時很難改善熱傳輸性能，二者始終矛盾，傳統途徑在優化二者性能方面始終很難兼顧。總的來說，不管從制備工藝還是研究體系來說，探索新的制備方法，尋找新的氧化物熱電體系及設計合理的熱電氧化物晶體結構，是未來提高氧化物熱電材料性能的主要途徑。

發明內容

本發明的第一目的在于提供一種超晶格結構熱功能陶瓷材料；第二目的在于提供所述的超晶格結構熱功能陶瓷材料的制備方法；第三目的在于提供所述的超晶格結構熱功能陶瓷材料的應用。

本發明的第一目的是這樣實現的，所述的超晶格結構熱功能陶瓷材料是以氧化銦、氧化鎵和氧化鋅作為前驅粉體，采用固相合成法制備得到粉體InGaZn_kO_k+3，然后經壓片、保溫、研磨過篩和燒結制備得到InGaZn_kO_k+3陶瓷塊體，即目標物超晶格結構熱功能陶瓷材料；所述的超晶格結構熱功能陶瓷材料具有層狀超晶格結構，具有半導體和絕緣體性質，是由InO^2-層和GaO⁺(ZnO)_k層沿c軸交替堆疊形成超晶格結構的氧化物；所述的超晶格結構熱功能陶瓷材料的致密度為78%~84%。