[發明專利]中溫區高性能熱電材料制備方法及中溫區高性能熱電材料

在審

• 申請號: 201910204477.4
• 申請日: 2019-03-18
• 公開（公告）號: CN109950389A
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發明（設計）人: 李敬鋒;董金峰;孫富華
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H01L35/16
• 分類號: H01L35/16;H01L35/34
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 黃德海

本發明公開了一種中溫區高性能熱電材料制備方法及中溫區高性能熱電材料，其中，該制備方法可以為GeTe基熱電化合物塊體制備方法，包括如下步驟：以Ge單質粉、Bi單質粉和Te單質粉為原料，采用機械合金化法處理，得到粉末；將所述粉末采用放電等離子燒結法處理，得到GeTe基熱電化合物塊體。該制備方法工藝操作簡便，耗能少，耗時少，效率高；且得到的GeTe基熱電化合物塊體結晶性好，成分簡單均勻，重復率高，在中溫區300～500℃具有優異的熱電性能。

技術領域

本發明涉及能源材料技術領域，尤其涉及一種中溫區高性能熱電材料制備方法及中溫區高性能熱電材料

背景技術

熱電材料是一種通過塞貝克效應和帕爾貼效應來實現熱能和電能直接相互轉換的功能材料。熱電材料的熱電性能以無量綱熱電優值ZT來表征：ZT＝α²σT/κ，其中α為Seebeck系數，σ為電導率，T為絕對溫度，κ為熱導率，高性能熱電材料需要高的α、σ和低的κ。目前適用于低溫區工作的熱電材料主要為Bi₂Te₃及其固溶體；應用于中溫區的主要為PbTe及其合金；適用于高溫區的主要為SiGe合金、半哈勒斯合金等。

熱電材料的一大潛在應用為廢熱的收集再利用，它可以在很大程度上緩解全球能源緊缺與環境污染問題，因而具有重要的應用前景。目前，由于社會工業、汽車行業等產生的廢熱主要集中在中溫區，故中溫區熱電材料的開發顯得至關重要。PbTe作為一種優異的熱電材料，具有高于2.0的熱電優值，但是目前所報道的PbTe體系均需要在較高的溫度(>500℃)才能取得熱電優值的峰值，因此尋找在300～500℃之間具有與PbTe相媲美的熱電性能的材料具有極大的工業應用價值。GeTe作為一種窄禁帶半導體，具有優異的電、熱輸運性質以及結構可調整性，能夠在較低的溫度獲得較高的熱電性能。到目前為止，對于GeTe的制備主要采用熔煉結合放電等離子燒結的方式，能耗大且制備周期較長。此外，大部分的研究成果雖然取得了與PbTe相媲美的熱電性能，但其所對應的溫度仍然較高(>450℃)，成分也較為復雜。

發明內容

本發明旨在至少解決現有技術中存在的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種中溫區高性能熱電材料制備方法，該制備方法可以是GeTe基熱電化合物塊體制備方法，工藝操作簡便，耗時少，且得到的GeTe基熱電化合物塊體結晶性好，成分簡單均勻、重復率高，在中溫區300～500℃具有優異的熱電性能。

根據本發明第一方面實施例的中溫區高性能熱電材料制備方法，該制備方法可以是GeTe基熱電化合物塊體制備方法，包括：

步驟S1：以Ge單質粉、Bi單質粉和Te單質粉為原料，采用機械合金化法處理，得到粉末；

步驟S2：將所述粉末采用放電等離子燒結法處理，得到GeTe基熱電化合物塊體。

根據本方第一方面實施例的制備方法，相比現有技術具有如下優點：第一、制備方法工藝流程短、操作簡便，耗能小，耗時少，耗能小效率高；第二、制備方法得到的GeTe基熱電化合物塊體結晶性好，成分簡單均勻，重復率高；第三、制備方法制得的GeTe基熱電化合物塊體具有優異的熱電性能；實驗證明，在中溫度區300～500℃可以獲得高的熱電優值，例如在較低溫度如375℃可以獲得具有2.0的熱電優值，由此，本發明第一方面實施例的制備方法得到的GeTe基熱電化合物塊體熱電材料應用價值高，可能在溫差發電領域得到廣泛的應用。

根據本發明第一方面的一個實施例，所述原料中的Ge單質粉、Bi單質粉和Te單質粉的摩爾比為0.95～1.04:0～0.09:1。

根據本發明第一方面的一些實施例，所述步驟S1具體為：所述原料裝入球磨機的球磨罐中并通入保護氣體后進行機械合金化反應，獲得所述粉末。

根據本發明第一方面進一步的實施例，所述保護氣體為氬氫混合氣體。