[發明專利]一種P型碲化鉍熱電材料及其制備方法

有效

• 申請號: 202010765796.5
• 申請日: 2020-08-03
• 公開（公告）號: CN111848165B
• 公開（公告）日: 2021-04-09
• 發明（設計）人: 劉峰銘
• 申請（專利權）人: 深圳見炬科技有限公司
• 主分類號: C04B35/515
• 分類號: C04B35/515;C04B35/622;H01L35/16
• 代理公司: 北京東方盛凡知識產權代理事務所(普通合伙) 11562
• 代理人: 張換君

本發明公開了一種P型碲化鉍熱電材料及其制備方法，所述制備方法以Bi、Sb、Te單質粉末為原料，進行球磨，然后進行等離子體燒結，制備塊體材料，即為P型碲化鉍熱電材料。本發明具有工藝簡單、生產周期短和生產效率高的特點，所制備調制的碲化鉍基熱電塊體材料純度高、熱導率低、電導率高、機械強度高。

技術領域

本發明涉及熱電材料技術領域，特別是涉及一種P型碲化鉍熱電材料及其制備方法。

背景技術

近年來，環境污染與能源短缺等問題日益突出，嚴重制約著人類生存及社會發展，因此，發展清潔能源和新能源技術成為目前國際社會關注的重點。其中，熱電轉換技術作為一種環境友好型新能源技術，能利用熱電材料的Seebeek效應和Peltier效應實現熱能和電能的直接相互轉換。Bi₂Te₃基化合物是目前發展最成熟、應用最廣泛的一類熱電材料，在熱電制冷和低溫熱電發電領域表現出極大的潛力。目前，商業上主要采用區熔法(ZM)批量制備n型和p型Bi₂Te₃基化合物，其最大熱電優值ZT可達1.0左右，但區熔材料具有高度擇優取向、力學性能差，導致其成品率低、加工缺陷多、使用過程易破壞。此外，Bi₂Te₃體系應用于熱電發電時會經歷大量且長期的熱循環及振動應力，因此改善區熔Bi₂Te₃基材料的力學性能和機械加工性對于提高器件的長期穩定性和可靠性、拓寬其應用領域具有重要意義。

中國專利ZL03150425.6公開了高強度高性能碲化鉍基燒結材料的制備方法，以區熔晶棒為起始材料，制粉，篩分，放電等離子(或者熱壓)燒結，獲得塊體材料。這些方法，制粉過程復雜且容易引入的雜質，篩分后要淘汰部分粉體，降低材料的利用率，燒結材料平行于(001)的方向的取向度降低了，其性能優值有所下降，導致致冷組件的致冷溫差比常規組件低很多。

目前熱電材料體系有約200種，其中應用最廣泛的是碲化鉍基熱電材料，但目前國內碲化鉍熱電材料，尤其是p型碲化鉍基熱電材料制造方法單一，由于機械合金化過程中可能存在反應不完全的情況，放電等離子燒結過程中將存在相合成及燒結兩個過程。Li等人通過在BiSbTe基質中混入0.4vol.％的SiC納米顆粒，結合高能球磨和放電等離子燒結工藝，同時提高了塞貝克系數和電導率，降低了熱導率，最終在373K取得了最大ZT值1.33。但是應用粉末冶金工藝制備p型碲化鉍基熱電材料降低晶格熱導率的同時，由于引入了大量晶界及隨機取向的納米晶粒，材料內部載流子遷移率也會顯著降低，導致材料電阻率不可避免的升高，ZT值提升有限。

發明內容

本發明的目的是提供一種采用機械合金化(MA)和放電等離子燒結(SPS)合成p形碲化鉍基熱電塊體材料的制備方法，以解決上述現有技術中存在的問題。

為實現上述目的，本發明提供了如下方案：

本發明提供一種P型碲化鉍熱電材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)以Bi、Sb、Te單質粉末為原料，按化學計量比稱取配料，制備名義化學成分為Bi_0.4Sb_1.6Te₃的P型碲化鉍熱電材料，將上述原料裝入不銹鋼球磨罐中，所述不銹鋼球磨罐置于惰性氣體保護的手套箱中；

(2)將裝好料的不銹鋼球磨罐從手套箱中取出，在球磨罐中充入混有5％H₂的Ar-H₂混合氣；

(3)將球磨罐放入行星球磨機中，進行球磨，得到粉末，得到的粉末為預合成的碲化鉍粉末；

(4)將球磨罐轉移至惰性氣體保護的手套箱中，打開球磨罐，將預合成的碲化鉍粉末裝入石墨模具中；

(5)將裝好粉末的石墨模具放入等離子體燒結爐中，在等離子體燒結爐內，將石墨模具放置于石墨墊片之間進行燒結，制備塊體材料，即為P型碲化鉍熱電材料。