[發(fā)明專利]中溫區(qū)高性能熱電材料制備方法及中溫區(qū)高性能熱電材料

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910204477.4
• 申請日: 2019-03-18
• 公開（公告）號: CN109950389A
• 公開（公告）日: 2019-06-28
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李敬鋒;董金峰;孫富華
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 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(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11201
• 代理人: 黃德海

本發(fā)明公開了一種中溫區(qū)高性能熱電材料制備方法及中溫區(qū)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(zhì)粉、Bi單質(zhì)粉和Te單質(zhì)粉為原料，采用機(jī)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(jié)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(shí)少，效率高；且得到的GeTe基熱電化合物塊體結(jié)晶性好，成分簡單均勻，重復(fù)率高，在中溫區(qū)300～500℃具有優(yōu)異的熱電性能。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及能源材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種中溫區(qū)高性能熱電材料制備方法及中溫區(qū)高性能熱電材料

背景技術(shù)

熱電材料是一種通過塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料。熱電材料的熱電性能以無量綱熱電優(yōu)值ZT來表征：ZT＝α²σT/κ，其中α為Seebeck系數(shù)，σ為電導(dǎo)率，T為絕對溫度，κ為熱導(dǎo)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(qū)工作的熱電材料主要為Bi₂Te₃及其固溶體；應(yīng)用于中溫區(qū)的主要為PbTe及其合金；適用于高溫區(qū)的主要為SiGe合金、半哈勒斯合金等。

熱電材料的一大潛在應(yīng)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(huán)境污染問題，因而具有重要的應(yīng)用前景。目前，由于社會(huì)工業(yè)、汽車行業(yè)等產(chǎn)生的廢熱主要集中在中溫區(qū)，故中溫區(qū)熱電材料的開發(fā)顯得至關(guān)重要。PbTe作為一種優(yōu)異的熱電材料，具有高于2.0的熱電優(yōu)值，但是目前所報(bào)道的PbTe體系均需要在較高的溫度(>500℃)才能取得熱電優(yōu)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(yè)應(yīng)用價(jià)值。GeTe作為一種窄禁帶半導(dǎo)體，具有優(yōu)異的電、熱輸運(yùn)性質(zhì)以及結(jié)構(gòu)可調(diào)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(jié)合放電等離子燒結(jié)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(yīng)的溫度仍然較高(>450℃)，成分也較為復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。為此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種中溫區(qū)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(shí)少，且得到的GeTe基熱電化合物塊體結(jié)晶性好，成分簡單均勻、重復(fù)率高，在中溫區(qū)300～500℃具有優(yōu)異的熱電性能。

根據(jù)本發(fā)明第一方面實(shí)施例的中溫區(qū)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(zhì)粉、Bi單質(zhì)粉和Te單質(zhì)粉為原料，采用機(jī)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(jié)法處理，得到GeTe基熱電化合物塊體。

根據(jù)本方第一方面實(shí)施例的制備方法，相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：第一、制備方法工藝流程短、操作簡便，耗能小，耗時(shí)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(jié)晶性好，成分簡單均勻，重復(fù)率高；第三、制備方法制得的GeTe基熱電化合物塊體具有優(yōu)異的熱電性能；實(shí)驗(yàn)證明，在中溫度區(qū)300～500℃可以獲得高的熱電優(yōu)值，例如在較低溫度如375℃可以獲得具有2.0的熱電優(yōu)值，由此，本發(fā)明第一方面實(shí)施例的制備方法得到的GeTe基熱電化合物塊體熱電材料應(yīng)用價(jià)值高，可能在溫差發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)本發(fā)明第一方面的一個(gè)實(shí)施例，所述原料中的Ge單質(zhì)粉、Bi單質(zhì)粉和Te單質(zhì)粉的摩爾比為0.95～1.04:0～0.09:1。

根據(jù)本發(fā)明第一方面的一些實(shí)施例，所述步驟S1具體為：所述原料裝入球磨機(jī)的球磨罐中并通入保護(hù)氣體后進(jìn)行機(jī)械合金化反應(yīng)，獲得所述粉末。

根據(jù)本發(fā)明第一方面進(jìn)一步的實(shí)施例，所述保護(hù)氣體為氬氫混合氣體。