[發(fā)明專利]一種納米復(fù)合熱電材料及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010152314.9
• 申請(qǐng)日: 2020-03-06
• 公開（公告）號(hào): CN111211215B
• 公開（公告）日: 2022-08-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊錦禎
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深圳市坤城科技有限公司
• 主分類號(hào): H01L35/14
• 分類號(hào): H01L35/14;H01L35/34;B82Y30/00
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本發(fā)明提供了一種復(fù)合熱電材料，所述復(fù)合熱電材料包含單質(zhì)Si、單質(zhì)Mg、單質(zhì)Sn、SiC，Mg2Si和摻雜N元素，其中，所述復(fù)合材料中元素總含量摩爾百分比為20?30%的Si，20?30%的Sn，1?10%的C，0.1?2%的N和余量的Mg，其中SiC和Mg₂Si的粒徑均小于50nm，SiC與Mg₂Si的體積比為10:90?30:70，N與SiC的摩爾比0.05?0.2：1。本發(fā)明制備的通過納米復(fù)合非晶/晶態(tài)Mg₂Si基熱電材料，材料的熱電性能，力學(xué)性能得到了大大提高。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種納米復(fù)合熱電材料及其制備方法。

背景技術(shù)

熱電材料能夠?qū)崿F(xiàn)熱能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化，且轉(zhuǎn)化過程無需機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、無噪音、無磨損，其機(jī)構(gòu)簡單，對(duì)環(huán)境無污染，被認(rèn)為是解決能源危機(jī)的主要途徑之一。熱電材料按其工作的溫度區(qū)間可分為低溫區(qū)熱電材料、中溫區(qū)熱電材料和高溫區(qū)熱電材料。由于材料在高溫時(shí)容易發(fā)生氧化和熔化等問題，因此高溫區(qū)熱電材料相對(duì)緊缺。

Mg2Si基半導(dǎo)體材料是一種中高溫?zé)犭姴牧希渌玫脑螹g和Si都在地球上儲(chǔ)量豐富且無毒對(duì)環(huán)境友好。純的Mg2Si熱電材料的導(dǎo)電性偏低，熱電性能差。目前，可通過Sb摻雜來提高M(jìn)g2Si材料的熱電性能，但是Sb摻雜的Mg2Si基材料燒結(jié)后容易斷裂，不利于合成大質(zhì)量塊體材料，且高溫機(jī)械性能差。 碳化硅(SiC)是受到廣泛關(guān)注的寬帶隙半導(dǎo)體材料之一，具有擊穿場強(qiáng)高、載流子飽和漂移速度大、熱穩(wěn)定性好、抗氧化性好及機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是性能優(yōu)良的高溫半導(dǎo)體材料。另外，碳化硅的溫差電動(dòng)勢率(Seebeck系數(shù))大，導(dǎo)電性差。目前，可通過摻雜N、Al等元素來獲得改善的導(dǎo)電性，電導(dǎo)率可在幾個(gè)數(shù)量級(jí)范圍內(nèi)調(diào)控，而熱導(dǎo)率可通過減小材料顆粒度來降低，因而它又是潛在的高溫?zé)犭姴牧稀?/p>

熱電材料性能用“熱電優(yōu)值”ZT表示：ZT=（α2σ/κ）×T。這里α是材料的塞貝克系數(shù)，σ是電導(dǎo)率，κ是熱導(dǎo)率。ZT越高，材料的熱電轉(zhuǎn)換效率越高。Mg2Si體系熱電材料的制備主要有固相反應(yīng)、熔煉結(jié)合熱壓燒結(jié)或放電等離子燒結(jié)等方法，由于Mg元素極易揮發(fā)和氧化，導(dǎo)致高性能Mg2Si基熱電材料的制備非常困難，從而也限制了其大規(guī)模應(yīng)用。近年來，在元素?fù)诫s改善材料熱電性能的基礎(chǔ)上，通過材料微觀結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合化實(shí)現(xiàn)電、熱輸運(yùn)的協(xié)同調(diào)控，從而優(yōu)化熱電性能成為當(dāng)前提高材料熱電2優(yōu)值ZT（ZT=ασ/κT, α-塞貝克系數(shù), σ-電導(dǎo)率, κ-熱導(dǎo)率）的有效手段。例如專利Bi2Te3基納米復(fù)合熱電材料（公開號(hào)CN 1546369A）公開了利用區(qū)熔定向法、溶劑熱法，但該方法很難控制納米相的分布情況，難以避免引入界面污染，無法實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的可調(diào)控性，使材料的熱電性能改善有限。

目前，SiC基熱電材料存在的問題主要是所需的燒結(jié)溫度高，難成型。例如，純SiC熱電材料的燒結(jié)溫度一般在2000℃以上。再例如，SiC-B4C復(fù)合熱電材料的燒結(jié)制備溫度在1800℃以上。而單質(zhì)Mg，Si，Sn復(fù)合制備的MgSi熱電材料存在容易腐蝕的問題，力學(xué)性能過差的問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種復(fù)合熱電材料，所述復(fù)合熱電材料包含單質(zhì)Si、單質(zhì)Mg、單質(zhì)Sn、SiC，Mg2Si和摻雜N元素，其中，所述復(fù)合材料中元素總含量摩爾百分比為20-30%的Si，20-30%的Sn，1-10%的C，0.1-2%的N和余量的Mg，其中SiC和Mg₂Si的粒徑均小于50nm，SiC與Mg₂Si的體積比為10:90-30:70，N與SiC的摩爾比0.05-0.2：1。

優(yōu)選地，復(fù)合熱電材料包含：25%Si，25%Sn，5%C，0.5%N，44.7%Mg。

優(yōu)選地，SiC與Mg₂Si的體積比為20:80。

優(yōu)選地，SiC和Mg₂Si的粒徑均為20nm。