[發(fā)明專利]一種N型碲化鉍熱電塊體材料的制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010765856.3
• 申請(qǐng)日: 2020-08-03
• 公開（公告）號(hào): CN111875381A
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉峰銘
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 深圳見炬科技有限公司
• 主分類號(hào): C04B35/547
• 分類號(hào): C04B35/547;C04B35/622;C04B35/64
• 代理公司: 北京東方盛凡知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11562
• 代理人: 張換君

本發(fā)明公開了一種N型碲化鉍熱電塊體材料的制備方法，屬于熱電材料技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明將經(jīng)過機(jī)械合金化的Bi、Te、Se粉末進(jìn)行SPS燒結(jié)，得到致密化的塊體材料，然后對(duì)塊體材料進(jìn)行熱變形處理，進(jìn)一步調(diào)控材料的微結(jié)構(gòu)，從而制備得到N型碲化鉍熱電塊體材料。本發(fā)明的工藝簡單、生產(chǎn)周期短且生產(chǎn)效率高，制備得到的N型碲化鉍熱電塊體材料機(jī)械性能和熱電性能優(yōu)異，能夠滿足制冷器件多樣化和高性能化的需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及熱電材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種N型碲化鉍熱電塊體材料的制備方法。

背景技術(shù)

熱電轉(zhuǎn)換是一種利用半導(dǎo)體材料的塞貝克效應(yīng)和佩爾貼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的技術(shù)，有熱電發(fā)電和熱電制冷兩種應(yīng)用形式。其能量轉(zhuǎn)換效率主要取決于材料的無量綱性能指數(shù)，即ZT值(ZT＝α²σT/K,其中為α為塞貝克系數(shù)、σ為電導(dǎo)率、K為熱導(dǎo)率、T為絕對(duì)溫度)。在20世紀(jì)50-60年代，先后發(fā)現(xiàn)了性能優(yōu)良的Bi₂Te₃基材料、PbTe基材料和SiGe合金。其中，PbTe基材料和SiGe合金的性能優(yōu)值ZT分別在中溫和高溫區(qū)域達(dá)到峰值，通常被用作熱電發(fā)電材料；而Bi₂Te₃基合金材料在室溫附近具有良好的熱電性能，目前在熱電制冷領(lǐng)域仍然享有不可替代的地位。

將碲化鉍基熱電材料制備成相應(yīng)的制冷器件，具有無有害物質(zhì)釋放、體積小、無運(yùn)動(dòng)部件、能在任意角度安裝運(yùn)行等特點(diǎn)，且通過工作電流的大小可調(diào)節(jié)制冷速度和制冷溫度，反應(yīng)靈敏、精度高，因而在國防、工業(yè)、醫(yī)療和日常生活等領(lǐng)域均獲得較為廣泛的應(yīng)用，如用作電子元器件(紅外探測(cè)器、半導(dǎo)體激光器、晶體管、精密電阻元器件等)的冷源，或者小型旅行電冰箱、冷暖飲水機(jī)等家用電器。

碲化鉍(Bi₂Te₃)屬于三方晶系，其熱電性能具有很強(qiáng)的各向異性，在平行于基面(001)的方向上具有最大的性能優(yōu)值，在商業(yè)化生產(chǎn)中通常采用晶體生長的方法如區(qū)熔法，以獲得具有優(yōu)良熱電性能的晶體材料，同時(shí)常用熱壓法提升塊體材料的機(jī)械性能。但由于碲化鉍的層狀晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其容易解離，采用區(qū)熔法所獲得的碲化鉍晶體材料的機(jī)械強(qiáng)度極低、加工性能差；同樣的，傳統(tǒng)熱壓法也僅能實(shí)現(xiàn)碲化鉍晶體材料機(jī)械性能的提升，對(duì)于熱電性能的改善效果較差。目前，采用傳統(tǒng)制備方法制備得到的碲化鉍晶體材料難以兼具優(yōu)良的熱電性能和機(jī)械性能，進(jìn)而嚴(yán)重影響了材料利用率和元器件的可靠性，制約了元器件的進(jìn)一步微型化、多樣化和高性能化，成為限制熱電制冷行業(yè)發(fā)展以及進(jìn)一步開發(fā)高端產(chǎn)品的瓶頸。

放電等離子燒結(jié)(SPS)是一種新型的材料制備技術(shù)，其主要特點(diǎn)是利用脈沖電流直接加熱和表面活化，實(shí)現(xiàn)材料的快速致密化燒結(jié)，能夠?qū)崿F(xiàn)燒結(jié)試樣的晶粒均勻、致密度高、力學(xué)性能好，在材料制備領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，已有研究將區(qū)熔晶體粉碎后，然后結(jié)合放電等離子燒結(jié)技術(shù)制備N型碲化鉍晶體材料，雖然一定程度上使得N型碲化鉍晶體材料機(jī)械性能和力學(xué)性能得以提升，但其性能依然難以滿足制冷器件多樣化和高性能化的需求。N型碲化鉍晶體材料性能的顯著改善是目前推動(dòng)制冷器件發(fā)展亟待解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種N型碲化鉍熱電塊體材料的制備方法，以解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，顯著提升N型碲化鉍熱電塊體材料的機(jī)械強(qiáng)度和熱電性能，使其能夠滿足制冷器件多樣化和高性能化的需求。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

本發(fā)明提供一種N型碲化鉍熱電塊體材料的制備方法，包括以下步驟：

(1)保護(hù)性氣氛下，按照化學(xué)配比稱取Bi、Te、Se粉末裝入球磨罐中，加入磨球；

(2)向步驟(1)的球磨罐中充入保護(hù)性氣體，然后放入球磨機(jī)中進(jìn)行球磨，得到機(jī)械合金化的碲化鉍粉末；