[發明專利]層狀高熵MAX相陶瓷熱電材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010533580.6
• 申請日: 2020-06-12
• 公開（公告）號: CN111725380B
• 公開（公告）日: 2023-01-06
• 發明（設計）人: 劉超;林元華;南策文;楊岳洋
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H10N10/855
• 分類號: H10N10/855;H10N10/01;H10N10/852
• 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: 尚偉凈

本發明提出了層狀高熵MAX相陶瓷熱電材料及其制備方法。該層狀高熵MAX相陶瓷熱電材料的分子式為M_n+1AX_n，其中，M為選自IIIB、IVB、VB和VIB族元素中的至少三種元素，A為選自IIIA、IVA、VA和VIA族元素中的至少一種，X為碳元素，且n為1、2或3。本發明所提出的層狀高熵MAX相陶瓷熱電材料，其中同一位中元素配比可以根據實際需求進行調控，且具有六方晶系結構、空間群為P6₃/mmc、晶胞由M_n+1X_n單元與A層原子在c方向交替堆垛而成，并通過M位三種以上元素組合的設計形成高熵合金，從而使高熵MAX相陶瓷熱電材料在載人航天、國防軍工、汽車制造和微納電子等領域，特別是溫差發電和熱電制冷等領域具有十分廣闊的應用前景。

技術領域

本發明涉及熱電材料技術領域，具體的，本發明涉及層狀高熵MAX相陶瓷熱電材料及其制備方法。

背景技術

現代科技的飛速發展造成了環境問題的日益嚴重和傳統能源的過度消耗，我國每年有20～55％的工業能源以廢熱的形式損耗，并且這個數字還在逐年激增，如何有效地利用廢熱能源將對能源高效利用和環境可持續發展至關重要，相應新能源材料的研發也越受到關注。其中，熱電材料可以直接實現熱能和電能的相互轉化，該材料在載人航天、國防軍工和微納電子、特別是溫差發電和熱電制冷等領域具有十分廣闊的應用前景。因此，開發新型熱電材料，優化材料制備工藝，使之具有可控的組織結構和高的熱電優值(ZT)，是熱電材料研究的熱點之一。

M_n+1AX_n是一類具有六方結構的納米層狀過渡金屬化合物，其中M為過渡族金屬，A為ⅢA或ⅣA族元素，X為C或N原子，n的值可為1、2或3。可以按n的取值不同，將M_n+1AX_n體系的化合物進行分類：n＝1時為211相；n＝2時為312相；n＝3時為413相。通常MAX相的合成區間非常狹窄，要制備單相物質則需在合成過程中對原料進行篩選和配比，并對制備工藝技術進行系統研究。

目前為止，眾多研究者進行了大量的實驗研究，通過自蔓延高溫合成法、熱壓燒結法或放電等離子燒結法等技術制備出單相MAX相的粉體、塊體材料和薄膜材料。Ying G.B.等人采用粉末冶金熱壓燒結技術制備了高純Cr₂AlC，并且測定得到樣品在200℃時熱導率為15.73W·m^-1K^-1，隨著溫度從25℃升高到900℃，Cr₂AlC的電導率也隨之從1.8×10⁶Ω^-1m^-1下降到5.6×10⁵Ω^-1m^-1。Barsoum等人用熱等靜壓技術在40MPa壓力下于1300℃分別保溫30h和16h合成了含有第二相的Ti₃SiC₂材料，所獲材料的壓縮強度可達550MPa，材料電導率為2.7×10⁶Ω^-1m^-1，常溫熱導率為46W·m^-1K^-1。

由于層狀熱電材料具有原子層依次堆積的獨特結構，并可通過層間剝離、原子替換、元素摻雜或插層等手段調節層間距、層間作用力和組分結構來調控原有材料體系的物理性能，所以現有的材料體系結構比較單一。這也導致制備出的材料體系性能受到了很大程度的局限，目前暫時沒有成熟穩定的工藝能夠實現層狀層狀高熵MAX相陶瓷熱電材料中組織結構和均勻性分布的有效控制，而熱電材料的應用環境對材料的熱電性能又提出了更苛刻的要求。因此，本領域迫切需要研發一種新的設計與制備技術獲得具有高ZT的陶瓷熱電材料，并為新能源材料研發和環境可持續發展提供新思路。

發明內容

本發明是基于發明人的下列發現而完成的：