一种热电材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及材料工程技术领域，具体而言，涉及一种热电材料及其制备方法。该热电材料，所述热电材料的化学式为：Ge1-x-yAxByTe1-zCz；其中，A为Si、Sn或Pb；B为Sb或Bi；C为S或Se；且x的取值范围为0≤x≤0.2；y的取值范围为0≤y≤0.2；z的取值范围为0≤z≤0.2。本发明专利技术提供的这种热电材料，其具备较高的电导率和较低的热导率，其热电优值可达到1.78-1.986，因此，其填补了本领域中具有较高ZT值的热电材料短缺的技术问题，可以很好的作为用于制作热电器件的材料。

【技术实现步骤摘要】
一种热电材料及其制备方法
本专利技术涉及材料工程
，具体而言，涉及一种热电材料及其制备方法。
技术介绍
热电材料称为温差电材料，是一种能够实现热能和电能之间相互转换的功能材料。热电材料是很有竞争力的新能源材料之一，具有广阔的应用前景，因此，热电材料可以很好的用来制作热电器件。由热电材料制备的热电器件，其具有体积小、重量轻，无任何机械运动部件，工作中无噪音，使用寿命长，安全可靠等优点。然而，热电器件的转换效率主要是由热电材料的性能决定的，热电材料的性能用无量纲优值ZT＝S2σT/κ来描述，其中，S为Seebeck系数，σ和κ分别是热电材料的电导率和热导率，T是绝对温度。ZT值越大，热能与电能之间的转换效率就越高。但是，在相关技术中，热电材料的种类比较少，尤其是具有较高ZT值(要求热电材料具备较高的电导率和较低的热导率)热电材料极为有限；因此，提供一种具有较高ZT值的热电材料是本领域技术亟待解决的一个技术问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种热电材料，以解决上述的问题。本专利技术的另一个目的在提供一种上述热电材料的制备方法。在本专利技术的实施例中提供了一种热电材料，所述热电材料的化学式为：Ge1-x-yAxByTe1-zCz；其中，A为Si、Sn或Pb；B为Sb或Bi；C为S或Se；且x的取值范围为0≤x≤0.2；y的取值范围为0≤y≤0.2；z的取值范围为0≤z≤0.2。本专利技术的实施例中提供的这种热电材料，是一种GeTe基高性能热电材料，其中成分A(Si、Sn或Pb)用来调控载流子的迁移率，使材料在一定温度范围内几乎维持不变，以降低材料的热导率；成分B(Sb或Bi)可通过适当降低材料中的载流子浓度来进一步降低材料的热导率，并在材料的费米能级附近形成共振能级而增大材料的态密度，进而提高材料的塞贝克系数，从而提高材料的热电优值。经实验测定，本专利技术实施例提供的这种热电材料，其具备较高的电导率和较低的热导率，其热电优值可达到1.78-1.986，因此，其填补了本领域中具有较高ZT值的热电材料短缺的技术问题，可以很好的作为用于制作热电器件的材料。可选的，所述热电材料的晶粒尺寸为10-100nm。本专利技术的实施例提供的基于上述的热电材料的制备方法包括以下步骤：根据所述热电材料的化学式确定各成分所需原料的重量，再在氩气的保护下称取既定重量的原料；将称取后的所述原料混合后在氩气的保护下进行球磨，得到混合粉；将所述混合粉在氩气的保护下进行直流快速热压烧结，得到块体热电材料。可选的，在所述步骤根据所述热电材料的化学式确定各成分所需原料的重量，再在氩气的保护下称取既定重量的原料中：所述原料均为单质或对应元素组成的中间合金。可选的，在所述将称取后的所述原料混合后在氩气的保护下进行球磨，得到混合粉的步骤中，所述球磨具体为使用高能球磨机进行高能球磨；所述高能球磨机的转速为1500-2000转/分钟；球料比为1.5:1-2.5:1；球磨的时间为1-10小时。可选的，在所述将所述混合粉在氩气的保护下进行直流快速热压烧结，得到块体热电材料的步骤中：所述热压烧结使用直流快速热压机进行；其中，在所述直流快速热压烧结机在烧结的过程中，真空度不低于8×10-3Pa；压力为30-60MPa；升温速度为10-200℃/min；烧结温度为300-500℃，保温时间为2-10min，冷却速度为2-50℃/min。本专利技术提供的这种制备高性能热电材料的方法，它通过高能球磨和热压烧结来控制材料的晶粒尺寸以降低材料的热导率，从而获得具有较高热电优值的高性能GeTe基热电材料。附图说明图1示出了本专利技术实施例一提供的热电材料制备方法的流程图；图2为本实施例1-5中提供的热电材料Ge0.95-xPbxBi0.05Te与GeTe的X射线衍射图。图3为实施例1-5中提供的热电材料Ge0.95-xPbxBi0.05Te与GeTe的电阻率随温度变化的关系示意图。图4为实施例1-5中提供的热电材料Ge0.95-xPbxBi0.05Te与GeTe的塞贝克系数随温度变化的示意图。图5为实施例1-5中提供的热电材料Ge0.95-xPbxBi0.05Te与GeTe的热导率随温度变化的示意图。图6为实施例1-5中提供的热电材料Ge0.95-xPbxBi0.05Te与GeTe的无量纲优值系数(ZT)随温度变化的示意图。具体实施方式下面通过具体的实施例子并结合附图对本专利技术做进一步的详细描述。本专利技术的热电材料Ge1-x-yAxByTe1-zCz；其中，A为Si、Sn或Pb；B为Sb或Bi；C为S或Se；且x的取值范围为0≤x≤0.2；y的取值范围为0≤y≤0.2；z的取值范围为0≤z≤0.2。具体的，x的取值可以为：0.01、0.03、0.05、0.07、0.09、0.1、0.2；y的取值可以为：0.01、0.03、0.05、0.07、0.09、0.1、0.2；z的取值可以为：0、0.01、0.03、0.05、0.07、0.09、0.1、0.2。在本专利技术中，更优选的，A具体可为Pb、B具体可为Bi；y的取值可以为0.05，而z的取值具体可以为0；即本专利技术的这种热电材料可以具有Ge0.95-xPbxBi0.05Te的化学式。另外，优选的，在本实施例中，为了达到更高的热电优值，优选的，所述热电材料的晶粒尺寸为10-100nm，在改尺寸范围内，经研究发现，该热电材料具有较低的热导率，同时还具有较高的电导率。另外，在本专利技术中，对于所述热电材料的制备方法其包括以下步骤：步骤101：根据所述热电材料的化学式确定各成分所需原料的重量，再在氩气的保护下称取既定重量的原料；更具体的，在该步骤中，所述原料为单质或两种以上对应元素组成的中间合金，并且在称取原料的过程中，可在手套箱中进行，手套箱中水含量＜0.1ppm，氧含量＜0.1ppm。在氩气的保护下，可以防止各种原料发生氧化，进而使得各原料的性能稳定，避免其被氧化后热电性能参数下降。步骤102：将称取后的所述原料混合后在氩气的保护下进行球磨，得到混合粉；更具体的，在上述步骤中，球磨的方式可采用高能球磨机进行高能球磨；所述高能球磨机的转速为1500-2000转/分钟；球料比为1.5:1-2.5:1；球磨的时间为1-10小时。步骤103：将所述混合粉在氩气的保护下进行直流快速热压烧结，得到块体热电材料；可选的，所述热压烧结使用直流快速热压机进行，上述步骤可以按照以下操作进行：将所述混合粉放入到直流快速热压烧结机中进行烧结，得到块体热电材料；其中，在所述直流快速热压烧结机在烧结的过程中，真空度不低于8×10-3Pa；压力为30-60MPa；升温速度为10-200℃/min；烧结温度为300-500℃，保温时间2-10min，冷却速度为2-50℃/min。需要指出的是，直流快速热压机是指在液压机上设置电极(与粉体材料连接)，且在热压机上的两个横梁之间还设置用于装粉体材料的模具，这样，在热压烧结的过程中，同时对粉体材料通电并通过液压机进行压缩，即可实现快速热压烧结的效果。结合上述内容，本专利技术还在上述内容的基础之上提供了以下具体的实施例，现做详细的阐述和解释。具体的，在以下实施例中，热电材料的化学式为Ge0.95-xPbxBi0.05Te，其中，x的取值为：0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电材料，其特征在于，所述热电材料的化学式为：Ge1‑x‑yAxByTe1‑zCz； 其中，A为Si、Sn或Pb；B为Sb或Bi；C为S或Se； 且x的取值范围为0≤x≤0.2；y的取值范围为0≤y≤0.2；z的取值范围为0≤z≤0.2。

【技术特征摘要】
1.一种热电材料，其特征在于，所述热电材料的化学式为：Ge1-x-yAxByTe1-zCz；其中，A为Si、Sn或Pb；B为Sb或Bi；C为S或Se；且x的取值范围为0＜x≤0.2；y的取值范围为0＜y≤0.2；z＝0。2.根据权利要求1所述的热电材料，其特征在于，所述热电材料的晶粒尺寸为10-100nm。3.一种根据权利要求1所述的热电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：根据所述热电材料的化学式确定各成分所需原料的重量，再在氩气的保护下称取既定重量的原料；将称取后的所述原料混合后在氩气的保护下进行球磨，得到混合粉；将所述混合粉在氩气的保护下进行直流快速热压烧结，得到块体热电材料。4.根据权利要求3所述的热电材料的制备方法，其特征在于，在所述步骤根据所述热电材料的化学式确定各成分所需原料的重量，再在氩气的保护下称取...

【专利技术属性】
技术研发人员：张勤勇，杨建宁，雷晓波，闵中华，
申请(专利权)人：西华大学，
类型：发明
国别省市：四川;51