一种BiCuζO热电材料的制备方法技术

本发明专利技术提供一种BiCuζO热电材料的制备方法，包括：将纯度均为99.9％～99.999％的Bi粉、Cu粉、A粉末或B粉末、Bi2O3粉按照摩尔比1∶3∶3∶1进行配料；将配料研磨混合0.5～2小时，得到均匀混合的混合物；对均匀混合的混合物进行干燥处理，得到干燥粉末；将干燥粉末放置于钢制模具中压制成块体后，将块体放置于高压合成块中进行组装，得到组装块；将组装块放置于六面顶高压装置中进行高压合成处理。本发明专利技术具有工艺过程简单、制备周期短、成本低且不易引进杂质等优点，可广泛应用于陶瓷领域。

【技术实现步骤摘要】
一种BiCuζO热电材料的制备方法
本专利技术涉及新能源材料制备技术，特别是涉及一种BiCuζO热电材料的制备方法。
技术介绍
近年来，随着能源短缺和环境恶化的不断加剧，新能源及能源转换材料越来越受到重视。热电材料是一种将热能和电能直接转换的功能材料，其可被制作成温差发电机或制冷装置。此类由热电材料制作成的装置没有任何机械运动部件，也无需流动物质作为能量转换介质，故热电材料具有性能可靠、无污染、使用寿命长等优点。实际应用中，热电装置的转换效率是由热电材料的性能决定的，高性能热电材料具有较高的功率因子和较低的热导率。目前，提高功率因子主要依靠掺杂来实现，降低热导率主要通过高能球磨及湿化学方法来实现。铋铜硒氧BiCuSeO作为一种具有巨大应用潜力的热电材料受到了广泛关注。BiCuSeO块体材料的制备方法主要包括固相反应结合放电等离子体烧结、机械合金化结合放电等离子体活化烧结两种方法。固相反应结合放电等离子体烧结方法是在真空条件下，首先将Bi、Cu、Se、Bi2O3混合均匀后压制成型，并加热至300度预烧3小时以上；预烧后样品经过研磨压制成型后700度烧结10小时以上，并对得到的BiCuSeO材料依次进行长时间球磨、放电等离子体活化烧结处理，从而获得BiCuSeO块体材料。机械合金化结合放电等离子体活化烧结方法通过反复抽真空并通入惰性气体保护的条件下，经过长时间高能球磨才能获得纯相材料后，再经过放电等离子体烧结获得BiCuSeO块体材料。实际应用中，长时间的高速球磨过程、球磨罐及球磨介质易引起样品的污染。由此可见，在现有技术中，BiCuSeO热电材料制备方法存在工艺过程复杂、制备周期长、成本高且容易引进杂质等问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种工艺过程比较简单、制备周期短、成本低且不易引进杂质的BiCuζO热电材料制备方法。为了达到上述目的，本专利技术提出的技术方案为：一种BiCuζO热电材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1、将纯度均为99.9％～99.999％的Bi粉、Cu粉、A粉末或B粉末、Bi2O3粉按照摩尔比1∶3∶3∶1进行配料；其中，A粉末为Se粉末、Te粉末或S粉末；B粉末为Se粉末与Te粉末或者Se粉末与S粉末。步骤2、将配料研磨混合0.5～2小时，得到均匀混合的混合物。步骤3、对均匀混合的混合物进行干燥处理，得到干燥粉末。步骤4、将干燥粉末放置于钢制模具中压制成块体后，将块体放置于高压合成块中进行组装，得到组装块。步骤5、将组装块放置于六面顶高压装置中进行高压合成处理：将该六面顶高压装置以0.5GPa/min的升压速率加压至2～4GPa后，以50℃/min的升温速率升温至250～350℃，并保温10～30分钟；之后，再升温至设定温度，并保温0～20分钟：如果配料中包括A粉末，则获得粒子尺寸为0.2～5μm且致密的BiCuAO热电材料；如果配料中包括B粉末，则获得粒子尺寸为0.2～5μm且致密的BiCuA1-αTeαO或BiCuA1-βSβO热电材料；其中，0≤α≤1、0≤β≤1。综上所述，本专利技术所述BiCuζO热电材料的制备方法对原材料进行一定时间的研磨混合后干燥处理，将得到的干燥粉末压制成块体后进行组装，并将得到的组装块放置于六面顶高压装置进行高压合成处理，获得粒子尺寸为0.2～-5μm且致密的BiCuζO热电材料，总共花费不超过9小时的时间。由此可见，本专利技术所述制备方法周期较短，工艺比较简单，较多地节约能源并降低生产成本，适合大规模工业生产；同时，由于制备得到的BiCuζO热电材料为细晶体结构且致密性较高，故该BiCuζO热电材料具有电阻率较低且功率因子较大等优点。附图说明图1为采用本专利技术方法制取得到的BiCuSeO热电材料X射线衍射峰位及峰强度随角度变化的示意图。图2为采用本专利技术方法制取得到的BiCuSeO热电材料微观结构示意图。图3为BiCuTeO、BiCuSO与BiCuSeO三种热电材料的赛贝克系数随温度变化的示意图。图4为BiCuTeO、BiCuSO与BiCuSeO三种热电材料的电阻率随温度变化的示意图。图5为BiCuTeO、BiCuSO与BiCuSeO三种热电材料的功率因子随温度变化的示意图。图6为采用本专利技术方法制备的BiCuSe1-αTeαO热电材料的X射线衍射图谱。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步地详细描述。本专利技术所述BiCuζO热电材料的制备方法，包括如下步骤：步骤1、将纯度均为99.9％～99.999％的Bi粉、Cu粉、A粉末或B粉末、Bi2O3粉按照摩尔比1∶3∶3∶1进行配料；其中，A粉末为Se粉末、Te粉末或S粉末；B粉末为Se粉末与Te粉末或者Se粉末与S粉末。本专利技术方法中，步骤1中，所述配料还包括用于Bi位掺杂的Ge粉、Sn粉或Pb粉，且Ge粉掺杂量与Bi元素的摩尔比为5～7.5％，Sn粉掺杂量与Bi元素的摩尔比为1～2％，Pb粉掺杂量与Bi元素的摩尔比为1.25～5％。优选地，Pb粉掺杂量与Bi元素的摩尔比为2.5％。步骤2、将配料研磨混合0.5～2小时，得到均匀混合的混合物。这里，研磨混合可以采用手工方式，也可以采用机械方式。步骤3、对均匀混合的混合物进行干燥处理，得到干燥粉末。本专利技术方法中，步骤3中，所述干燥处理为：将均匀混合的混合物加热至50～70℃，加热时间为4～8小时。这里，干燥处理可以在真空条件下进行，也可以在实际环境中进行。步骤4、将干燥粉末放置于钢制模具中压制成块体后，将块体放置于高压合成块中进行组装，得到组装块。步骤5、将组装块放置于六面顶高压装置中进行高压合成处理：将该六面顶高压装置以0.5GPa/min的升压速率加压至2～4GPa后，以50℃/min的升温速率升温至250～350℃，并保温10～30分钟；之后，再升温至设定温度，并保温0～20分钟：如果配料中包括A粉末，则获得粒子尺寸为0.2～5μm且致密的BiCuXO热电材料；如果配料中包括B粉末，则获得粒子尺寸为0.2～5μm且致密的BiCuSe1-αTeαO或BiCuSe1-βSβO热电材料；其中，0≤α≤1、0≤β≤1。本专利技术方法中，如果步骤1中A粉末为Se粉末，则步骤5中所述设定温度为650～750℃；如果步骤1中A粉末为Te粉末，则步骤5中所述设定温度为550～700℃；如果步骤1中A粉末为S粉末，则步骤5中所述设定温度为750～850℃；如果步骤5获得的是BiCuA1-αTeαO热电材料，则步骤5中所述设定温度为550～750℃；如果步骤5获得的是BiCuA1-βSβO热电材料，则步骤5中所述设定温度为650～850℃。实际应用中，对于BiCuA1-αTeαO热电材料而言，随着Te含量的增加设定温度逐渐降低；对于BiCuA1-βSβO热电材料而言，随着S含量的增加设定温度逐渐降低。实际应用中，当步骤1中所述配料还包括Ge粉或Pb粉时，步骤5中所述获得的BiCuζO热电材料为PbλBi1-λCuSeO或GeγBi1-γCuSeO；其中，0≤λ≤0.1、0≤γ≤0.1。对于所述PbλBi1-λCuAO或GeγBi1-γCuAO热电材料而言，步骤5中所述设定温度为650～750℃。实际应用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种BiCuζO热电材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：步骤1、将纯度均为99.9％～99.999％的Bi粉、Cu粉、A粉末或B粉末、Bi2O3粉按照摩尔比1∶3∶3∶1进行配料；其中，A粉末为Se粉末、Te粉末或S粉末；B粉末为Se粉末与Te粉末或者Se粉末与S粉末；步骤2、将配料研磨混合0.5～2小时，得到均匀混合的混合物；步骤3、对均匀混合的混合物进行干燥处理，得到干燥粉末；步骤4、将干燥粉末放置于钢制模具中压制成块体后，将块体放置于高压合成块中进行组装，得到组装块；步骤5、将组装块放置于六面顶高压装置中进行高压合成处理：将该六面顶高压装置以0.5GPa/min的升压速率加压至2～4GPa后，以50℃/min的升温速率升温至250～350℃，并保温10～30分钟；之后，再升温至设定温度，并保温0～20分钟：如果配料中包括A粉末，则获得粒子尺寸为0.2～5μm且致密的BiCuAO热电材料；如果配料中包括B粉末，则获得粒子尺寸为0.2～5μm且致密的的BiCuA1‑αTeαO或BiCuA1‑βSβO热电材料；其中，0≤α≤1、0≤β≤1。

【技术特征摘要】
1.一种BiCuζO热电材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：步骤1、将纯度均为99.9％～99.999％的Bi粉、Cu粉、A粉末或B粉末、Bi2O3粉按照摩尔比1∶3∶3∶1进行配料；其中，A粉末为Se粉末、Te粉末或S粉末；B粉末为Se粉末与Te粉末或者Se粉末与S粉末；步骤2、将配料研磨混合0.5～2小时，得到均匀混合的混合物；步骤3、对均匀混合的混合物进行干燥处理，得到干燥粉末；步骤4、将干燥粉末放置于钢制模具中压制成块体后，将块体放置于高压合成块中进行组装，得到组装块；步骤5、将组装块放置于六面顶高压装置中进行高压合成处理：将该六面顶高压装置以0.5GPa/min的升压速率加压至2～4GPa后，以50℃/min的升温速率升温至250～350℃，并保温10～30分钟；之后，再升温至设定温度，并保温0～20分钟：如果配料中包括A粉末，则获得粒子尺寸为0.2～5μm且致密的BiCuAO热电材料；如果配料中包括B粉末，则获得粒子尺寸为0.2～5μm且致密的BiCuA1-αTeαO或BiCuA1-βSβO热电材料；其中，0≤α≤1、0≤β≤1。2.根据权利要求1所述的BiCuζO热电材料的制备方法，其特征在于，如果步骤1中A粉末为Se粉末，则步骤5中所述设定温度为650～750℃；如果步骤1中A粉末为Te粉末，则步骤5中所述设定温度为550～700℃；如果步骤1中A粉末为S粉末，则步骤5中所述设定温度为7...

【专利技术属性】
技术研发人员：宿太超，朱红玉，李尚升，胡美华，胡强，杜保立，樊浩天，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南;41