[發明專利]一種復合CoSb3方鈷礦基熱電材料及其制備方法

在審

• 申請號: 201910511473.0
• 申請日: 2019-06-13
• 公開（公告）號: CN112086552A
• 公開（公告）日: 2020-12-15
• 發明（設計）人: 王培僑;聶革;劉敏勝;耿金峰;齊會龍;曹聰帥;房娟
• 申請（專利權）人: 新奧科技發展有限公司
• 主分類號: H01L35/18
• 分類號: H01L35/18;H01L35/34;B22F3/105;B22F9/24
• 代理公司: 北京工信聯合知識產權代理有限公司 11266
• 代理人: 蘆玲玲

本發明提供了一種復合CoSb₃方鈷礦基熱電材料及其制備方法，包括：制備納米空心金屬球；制備M_xCoSb₃固態材料；將一定質量分數的納米空心金屬球與M_xCoSb₃固態材料混合后，在真空環境下燒結，制得納米空心金屬球分布于CoSb₃基熱電材料基體內的復合CoSb₃方鈷礦基熱電材料。本發明通過采用微納米空心金屬球與鈷銻基合金復合，一方面通過引入微納多孔結構，增強聲子的散射作用，從而有效降低方鈷礦基熱電材料的晶格熱導率，另一方面能夠保證材料的電導率不發生明顯的變化，因此，使得方鈷礦基熱電材料的熱電優值ZT得到了提高，從而優化了方鈷礦基熱電材料的熱電性能。

技術領域

本發明涉及熱電材料技術領域，具體而言，涉及一種復合CoSb₃方鈷礦基熱電材料及其制備方法。

背景技術

熱電轉換技術是利用半導體材料的塞貝克效應和帕爾帖效應進行能量直接相互轉換的技術，熱能和電能二種能量的轉換效率主要取決于熱電材料的無量綱性能指數ZT值（ZT=S²σT/k，其中S為塞貝克系數，σ為電導率，k為熱導率，T為絕對溫度）。材料的ZT值越高，熱電轉換效率越高。采用ZT值高的熱電材料制得的原器件具有體積更小、可靠性更高、壽命更長、制造工藝簡單，環境友好等特點，因而有望廣泛應用于廢熱發電、航空航天電源、醫療衛生制冷等領域。

方鈷礦基熱電材料目前被認為是應用于中高溫區最理想的熱電材料。方鈷礦屬于體心立方結構，其晶體結構的最大特點是體心位置存在一個體積很大的空心籠子，其他金屬原子（如稀土或堿土金屬）可以以弱結合的方式填充于該籠子中形成方鈷礦化合物，填充后的金屬原子在籠子中能夠產生擾動作用而極大地散射聲子、大幅度降低材料的熱導率，因而方鈷礦基熱電材料的化合物具有較好的綜合熱電性能。此外，在填充其他金屬原子基礎上，實芯微納尺度的金屬粒作為填充第二項能夠增加其聲子散射來進一步降低熱導率，但是隨之而來也會降低載流子在熱電材料內部的遷移速度，從而降低材料的電導率，抑制材料熱電性能提升。

發明內容

鑒于此，本發明提出了一種復合CoSb₃方鈷礦基熱電材料及其制備方法，旨在解決現有熱電材料的熱電性能難以得到綜合提升的問題。

本發明第一方面提出了一種復合CoSb3方鈷礦基熱電材料，所述熱電材料的化學式如下：M_xCoSb₃+yA，其中：A為納米空心金屬球，x的取值范圍為0＜x≤0.4，0＜y≤3%， y為納米空心金屬球占M_xCoSb₃基體的質量百分數；M為摻雜的堿金屬、堿土金屬、稀土元素、鋁元素和鐵元素中的一種或多種。

進一步地，上述復合CoSb₃方鈷礦基熱電材料中，所述熱電材料的化學式中：x=0.2，y=2.3%。

進一步地，上述復合CoSb₃方鈷礦基熱電材料中，所述納米空心金屬球的電導率大于等于5×10⁵S/m。

進一步地，上述復合CoSb₃方鈷礦基熱電材料中，所述納米空心金屬球為納米空心Ag球、納米空心Au球或納米空心Cu球。

本發明第一方面提供的復合CoSb3方鈷礦基熱電材料，通過引入微納米多孔結構的納米空心金屬球，增強聲子的散射作用，從而有效降低方鈷礦基熱電材料的晶格熱導率；另一方面，由于納米空心金屬球具有較高的載流子遷移率，能保證熱電材料在熱導率降低的同時，其電導率保持不變或略有提升，從而使方鈷礦基熱電材料的熱電優值ZT得到了提高，從而優化了方鈷礦基熱電材料的熱電性能。