纳米SiC复合Mg-Si-Sn基热电材料的制备方法技术

本发明专利技术涉及纳米SiC复合Mg-Si-Sn基热电材料的制备方法。首先，采用感应熔炼设备将Mg、Si、Sn块体原料熔炼成铸锭，然后按化学式配比称取的纳米SiC粉末与破碎的铸锭一并装入球磨罐中，采用机械球磨设备在氩气气氛下进行一次球磨，然后将装载一次球磨粉的石墨模具置于放电等离子烧结腔体中，在真空气氛下烧结成块体；再将烧结成的块体破碎后，在氩气气氛下进行二次球磨，然后在真空气氛下烧结得到高致密的Mg2Si1-xSnx/SiCy(0≤x≤1.0,0<y≤0.05)块体。本发明专利技术成本低，适用成分范围广，操作简单，可靠性好，可实现纳米SiC颗粒在Mg2Si1-xSnx基体中的弥散分布，同时能够细化基体晶粒尺寸，提高材料的致密度和可加工性。

【技术实现步骤摘要】
纳米SiC复合Mg-Si-Sn基热电材料的制备方法
本专利技术涉及纳米SiC复合Mg-Si-Sn基热电材料的制备方法。
技术介绍
热电材料作为一种新型能源材料，利用固体内部载流子(电子或空穴)和声子的输运及其相互作用，实现热能和电能直接相互转换的功能材料。Mg-Si-Sn基热电材料作为热电材料的优势在于原料丰富、价格低廉，无毒无污染，热电性能潜能高，被认为是环境友好型绿色新型能源材料，.该体系材料的热电优值仍一直徘徊在1左右，如能进一步优化热电性能必将加快其实用化的步伐和扩大应用领域。近年来，在元素掺杂改善材料热电性能的基础上，通过材料微结构纳米复合化实现对电、热输运的协同调控，从而优化热电性能成为当前提高材料热电优值ZT的有效手段。但在外部掺入纳米粉直接混合过程中会存在因纳米颗粒比表面积大、活性高，而容易发生团聚，无法实现均匀分散的问题。本专利技术主要采用二次机械球磨结合放电等离子烧结技术制备纳米SiC复合Mg-Si-Sn基热电材料，通过二次机械球磨不仅实现了纳米SiC颗粒在Mg-Si-Sn基体中的均匀地弥散分布，而且能够进一步降低晶粒的尺寸，达到细化晶粒的效果，结合放电等离子烧结能够有效地抑制晶粒的长大，增强声子散射降低晶格热导率，从而有益于热电性能的提高。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适用成分范围广、成本低、致密度高、纳米相均匀弥散分布的制备纳米SiC复合Mg-Si-Sn基热电材料的方法。本专利技术主要是对不同成分配比的Mg2Si1-xSnx(0≤x≤1.0)基体中实现纳米SiC颗粒的均匀弥散分布，并有效地降低晶粒尺寸，提升材料的致密度。本专利技术的制备方法包括以下步骤：纳米SiC复合Mg-Si-Sn基热电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:1)感应熔炼：以Mg块、Si块、Sn块为原料，按化学式Mg2Si1-xSnx配比称重，将配好的原料放入氧化铝坩埚中，在氩气保护气氛下采用感应熔炼设备进行熔炼，得到Mg2Si1-xSnx铸锭；2)一次机械球磨：将步骤(1)中所得到的铸锭置于氧含量低于0.5ppm的真空手套箱中破碎，按化学式配比为Mg2Si1-xSnx/SiCy，称重SiC纳米粉末与破碎的铸锭装入硬质合金球磨罐中，氩气气氛下机械球磨，球料质量比为15:1，转速为500r/min,球磨时间为2-4h；3)放电等离子烧结：将步骤(2)中所得球磨粉末置于氧含量低于0.5ppm的真空手套箱并装进石墨模具，然后将模具置于烧结炉腔体中，在总气压低于5Pa的真空条件下采用放电等离子烧结设备进行烧结，在总气压低于5Pa的真空条件下，升温速率为60-100℃/min，施加的轴向压力为30-100MPa，烧结温度为670-720℃，保温5-15min；；4)二次机械球磨：将步骤(3)中所得的烧结块体经过表面打磨后，置于氧含量低于0.5ppm的真空手套箱中破碎，装入硬质合金球磨罐中，在氩气的保护气氛下进行球磨，球料质量比为15:1，转速为500r/min,球磨时间为0.5-2hh；；5)放电等离子烧结：将步骤(4)中所得的球磨的粉末置于氧含量低于0.5ppm的真空手套箱并装进石墨模具，然后将模具置于烧结炉腔体中，在总气压低于5Pa的真空条件下烧结，在总气压低于5Pa的真空条件下，升温速率为40-80℃/min，施加的轴向压力为30-100MPa，烧结温度为670-720℃，保温5-15min，得到纳米SiC颗粒均匀地弥散分布的Mg2Si1-xSnx/SiCy块体；以上步骤中0≤x≤1.0,0<y≤0.05。进一步，所述感应熔炼设备的熔炼炉功率在16-22kw，熔炼时间为70-100s。与现有技术相比较，本专利技术具有以下有益效果：(1)本专利技术的制备方法适用成分范围广，成本低，致密度高，工艺操作简单，可靠性好，球磨和烧结时间较短，通常的熔炼或固相反应结合热压烧结制备热电材料需要大概2天的时间，而本工艺只需5-6h就可以完成，大大提高了生产效率，而且能够很好的控制氧气的含量，可以有效地抑制Mg元素的氧化和挥发。(2)通过控制机械球磨时间、球料比、转速，SPS烧结升温速度、烧结压力和冷却速度等工艺参数，从而实现对材料晶粒尺寸的细化、纳米相弥散分布等微观调控，且材料的致密度与一次MM+SPS制备工艺有了大幅度的提升，优化了纳米结构，获得了纳米SiC复合的Mg-Si-Sn基热电材料。附图说明图1、实施通过二次MM+SPS方法制备的SiC纳米复合(a)-Mg2Si0.3Sn0.7/SiC0.01，(b)-Mg2Si0.4Sn0.6/SiC0.01,(c)-Mg2Si0.5Sn0.5/SiC0.01样品的X射线衍射谱图。图2、实施通过二次MM+SPS与一次MM+SPS方法制备的高致密的SiC纳米复合Mg-Si-Sn基热电材料的断口扫描形貌的对比,(a)-二次MM+SPS所得样品断口扫描形貌。(b)-一次MM+SPS所得样品断口扫描形貌。图3、实施通过二次MM+SPS方法制备的SiC纳米复合Mg2Si0.3Sn0.7/SiC0.01热电材料的透射电镜微观表征。以下结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步说明，但本专利技术的保护范围不限于下述实施例。具体实施方式实施例11)感应熔炼：以Mg块(纯度99.99％)、Sn块(纯度99.99％)为原料，按化学式Mg2Sn配比称重，将配制好的原料放入氧化铝坩埚中，在氩气气氛中采用感应熔炼设备进行熔炼，熔炼时间为75s，最高功率为16kw，得到Mg2Sn铸锭。2)一次机械球磨结合放电等离子烧结：将Mg2Sn的铸锭置于氧含量低于0.5ppm的真空手套箱中破碎，按化学式配比为Mg2Sn/SiC0.005称重SiC纳米粉末与破碎的铸锭装入硬质合金(WC)球磨罐中，设定球料比为15:1(质量比)，转速为500r/min,球磨时间为3h，在氩气的保护气氛下进行球磨；将经过一次机械球磨的粉末置于氧含量低于0.5ppm的真空手套箱并称取一定量装进石墨模具，然后将模具置于放电等离子烧结炉腔体中，在总气压低于5Pa的真空条件下烧结，升温速率为70℃/min，施加的轴向压力为30MPa，烧结温度为690℃，保温5min，随炉冷却至室温。3)二次机械球磨结合放电等离子烧结：将烧结块体经过表面打磨后置于氧含量低于0.5ppm的氩气气氛的手套箱中破碎，装入硬质合金(WC)球磨罐中，设定球料比为15:1(质量比)，转速为500r/min,球磨时间为1h，在氩气的保护气氛下进行球磨。将经过二次机械球磨的粉末置于氧含量低于0.5ppm的真空手套箱并装进石墨模具，然后将模具置于放电等离子烧结炉腔体中，在总气压低于5Pa的真空条件下烧结，升温速率为40℃/min升温，施加的轴向压力为30MPa，烧结温度为690℃，保温10min，随炉冷却至室温，得到纳米SiC复合的Mg2Sn/SiC0.005块体。实施例21)感应熔炼：以Mg块(纯度99.99％)、Si块(纯度99.999％)、Sn块(纯度99.99％)为原料，按化学式Mg2Si0.3Sn0.7配比称重，将配制好的原料放入氧化铝坩埚中，在氩气气氛中采用感应熔炼设备进行熔炼，熔炼时间为75s，最高功率为17kw，得到Mg2Si0.3Sn0.7铸锭。2)一次机械球磨结合放电等离本文档来自技高网...

【技术保护点】
纳米SiC复合Mg‑Si‑Sn基热电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:1)感应熔炼：以Mg块、Si块、Sn块为原料，按化学式Mg2Si1‑xSnx配比称重，将配好的原料放入氧化铝坩埚中，在氩气保护气氛下采用感应熔炼设备进行熔炼，得到Mg2Si1‑xSnx铸锭；2)一次机械球磨：将步骤(1)中所得到的铸锭置于氧含量低于0.5ppm的真空手套箱中破碎，按化学式配比为Mg2Si1‑xSnx/SiCy，称重SiC纳米粉末与破碎的铸锭装入硬质合金球磨罐中，氩气气氛下机械球磨，球料质量比为15:1，转速为500r/min,球磨时间为2‑4h；3)放电等离子烧结：将步骤(2)中所得球磨粉末置于氧含量低于0.5ppm的真空手套箱并装进石墨模具，然后将模具置于烧结炉腔体中，在总气压低于5Pa的真空条件下采用放电等离子烧结设备进行烧结，在总气压低于5Pa的真空条件下，升温速率为60～100℃/min，施加的轴向压力为30～100MPa，烧结温度为670～720℃，保温5～15min；；4)二次机械球磨：将步骤(3)中所得的烧结块体经过表面打磨后，置于氧含量低于0.5ppm的真空手套箱中破碎，装入硬质合金球磨罐中，在氩气的保护气氛下进行球磨，球料质量比为15:1，转速为500r/min,球磨时间为0.5‑2h h；；5)放电等离子烧结：将步骤(4)中所得的球磨的粉末置于氧含量低于0.5ppm的真空手套箱并装进石墨模具，然后将模具置于烧结炉腔体中，在总气压低于5Pa的真空条件下烧结，在总气压低于5Pa的真空条件下，升温速率为40～80℃/min，施加的轴向压力为30～100MPa，烧结温度为670～720℃，保温5～15min，得到纳米SiC颗粒均匀地弥散分布的Mg2Si1‑xSnx/SiCy块体；以上步骤中0≤x≤1.0,0<y≤0.05。...

【技术特征摘要】
1.纳米SiC复合Mg-Si-Sn基热电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤:1)感应熔炼：以Mg块、Si块、Sn块为原料，按化学式Mg2Si1-xSnx配比称重，将配好的原料放入氧化铝坩埚中，在氩气保护气氛下采用感应熔炼设备进行熔炼，得到Mg2Si1-xSnx铸锭；2)一次机械球磨：将步骤(1)中所得到的铸锭置于氧含量低于0.5ppm的真空手套箱中破碎，按化学式配比为Mg2Si1-xSnx/(SiC)y，称重SiC纳米粉末与破碎的铸锭装入硬质合金球磨罐中，氩气气氛下机械球磨，球料质量比为15:1，转速为500r/min,球磨时间为2-4h；3)放电等离子烧结：将步骤(2)中所得球磨粉末置于氧含量低于0.5ppm的真空手套箱并装进石墨模具，然后将模具置于烧结炉腔体中，在总气压低于5Pa的真空条件下采用放电等离子烧结设备进行烧结，在总气压低于5Pa的真空条件下，升温速率为60～100℃/min，施加的轴向压力为30～100MPa，烧结温度为670...

【专利技术属性】
技术研发人员：张忻，郑亮，刘洪亮，李松浩，周子群，张久兴，刘燕琴，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11