[發(fā)明專利]一種超晶格結(jié)構(gòu)熱功能陶瓷材料及其制備方法與應(yīng)用

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811534473.4
• 申請(qǐng)日: 2018-12-14
• 公開（公告）號(hào): CN109659426B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 馮晶;李淑慧;葛振華;師曉莉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L35/22
• 分類號(hào): H01L35/22;H01L35/34;C04B35/453
• 代理公司: 昆明知道專利事務(wù)所(特殊普通合伙企業(yè)) 53116
• 代理人: 謝喬良;張玉

本發(fā)明公開了一種超晶格結(jié)構(gòu)熱功能陶瓷材料及其制備方法與應(yīng)用。所述的超晶格結(jié)構(gòu)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(qū)粉體，采用固相合成法，通過濕磨法球磨6小時(shí)，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(jié)工藝在1173~1273K燒結(jié)0~20分鐘制備出InGaZn_kO_k+3陶瓷塊體。放電等離子燒結(jié)技術(shù)由于其特殊的燒結(jié)機(jī)理，使陶瓷能夠在較短的時(shí)間內(nèi)和相對(duì)較低的溫度下實(shí)現(xiàn)致密化燒結(jié)，使其晶粒更加細(xì)小和均勻，試樣的力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的馬弗爐燒結(jié)試樣。該工藝制備的InGaZn_kO_k+3陶瓷塊體具有層狀超晶格結(jié)構(gòu)，可有效地降低熱導(dǎo)率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超晶格結(jié)構(gòu)熱功能陶瓷材料及其制備方法與應(yīng)用。

背景技術(shù)

中國作為世界上最大能源消費(fèi)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(shù)來緩解化石燃料過度消耗及其造成的環(huán)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(fā)達(dá)國家低約10個(gè)百分點(diǎn)，其中50%的工業(yè)耗能以各種形式的余熱被直接廢棄。因此，發(fā)展工業(yè)余廢熱的高效利用技術(shù)，對(duì)節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境，進(jìn)一步提升我國制造業(yè)在國際市場(chǎng)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(rèn)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(xué)家Terasaki發(fā)現(xiàn)NaCo₂O₄單晶具有優(yōu)異的熱電性能后，這一領(lǐng)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(fā)元素等優(yōu)點(diǎn)，適用于工業(yè)廢熱發(fā)電、汽車廢氣發(fā)電等方面。目前氧化物熱電材料的主要劣勢(shì)在于工作效率比較低。通常用無量綱優(yōu)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(duì)溫度、Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。因此，通過一定的工藝手段，提高材料的Seebeck系數(shù)S和電導(dǎo)率σ，降低熱導(dǎo)率κ，可以達(dá)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(tǒng)方法固相反應(yīng)法相比，放電等離子體燒結(jié)（Spark Plasma Sintering，SPS）工藝具有燒結(jié)時(shí)間短，燒結(jié)溫度底，而且能有效控制晶粒的生長速度及壓力燒結(jié)等優(yōu)點(diǎn)，因此SPS 被認(rèn)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(duì)來說比較低，即熱電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)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(xué)傳輸性能提高的同時(shí)很難改善熱傳輸性能，二者始終矛盾，傳統(tǒng)途徑在優(yōu)化二者性能方面始終很難兼顧?？偟膩碚f，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(shè)計(jì)合理的熱電氧化物晶體結(jié)構(gòu)，是未來提高氧化物熱電材料性能的主要途徑。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的第一目的在于提供一種超晶格結(jié)構(gòu)熱功能陶瓷材料；第二目的在于提供所述的超晶格結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)熱功能陶瓷材料的應(yīng)用。

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