一种玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及复合材料领域，具体涉及一种玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料及其制备方法，该复合材料可作为柔性能源器件、微型传感器等方面的应用。该复合材料包括玻璃纤维基体以及均匀沉积在其表面上的Bi2Te3热电薄膜层，形成核‑壳结构；其中，玻璃纤维的直径为5～10μm，Bi2Te3热电薄膜层的厚度为1～2μm，膜层结构致密且与玻璃纤维表面结合良好。利用非平衡磁控沉积技术制备的玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合热电材料，Bi2Te3沉积层为具有纳米尺度晶粒的致密结构，厚度均匀可调，其热电性能接近于商用块体材料。由于薄膜材料的尺度效应，这种纤维/热电复合材料同时表现出良好的抗弯折性能，可应用于柔性能源器件、微型传感器等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料及其制备方法
本专利技术涉及复合材料领域，具体涉及一种玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料及其制备方法，该复合材料可作为柔性能源器件、微型传感器等方面的应用。
技术介绍
近年来，随着能源供给与经济发展之间的不平衡凸显，世界范围内的能源危机与环境污染日益严重，“节能减碳”和寻求清洁能源技术是当今各国无不关心的议题。热电材料是一种能够在没有其他特定外力或器件的协助下，能使热与电两种不同形态的能量相互转换的先进功能性半导体材料，可充分利用日常生产和生活中的废热再发电，是当前我国资源高效利用、余热余能回收等节能环保科技专项中的重要研究内容。热电材料在某一个方向的尺寸被限制到纳米范围时，其热电性能将会大幅提升。因此，薄膜热电材料等得到了科学界和工业界的广泛关注和快速发展。目前，热电材料的重要应用方向为柔性能源器件、微型传感器和制冷芯片等领域。然而，热电材料一般为共价键半导体材料，其具有本征的脆性，熔点低、组分易于变化等特性，用普通的物理化学方法很难制备具有微米尺度和良好弹性变形性能的热电材料。因此，亟待制备一种易于合成的柔性热电材料。该材料应具备可调控的热电性能，良好的抗弯折变形性能，且易于组装成微型器件，以期填补我国在该类型热电器件上的空白。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料及其制备方法，通过先进的非平衡磁控沉积技术，合成一种玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料，并对其热电性能和抗弯折性能进行了测试，为进一步制备相关领域的微型器件做好材料准备。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料，该复合材料包括玻璃纤维基体以及均匀沉积在其表面上的Bi2Te3热电薄膜层，形成核-壳结构；其中，玻璃纤维的直径为5～10μm，Bi2Te3热电薄膜层的厚度为1～2μm，膜层结构致密且与玻璃纤维表面结合良好。所述的玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料，Bi2Te3热电薄膜层的晶粒尺寸在100nm～2μm范围内变化，并具有(015)和(00l)垂直于薄膜的面外织构。所述的玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料，玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料的轴向电导率为1500～2500S/cm，Seebeck热电系数50～100μV/K。所述的玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料，复合纤维材料弯折半径为1cm时，电阻值的相对变化小于10％；弯折半径为2cm时，电阻值的相对变化小于3％，热电系数无明显改变。所述的玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)玻璃纤维表面处理：对玻璃纤维表面进行清洗，使用酒精、丙酮和去离子水依次淋洗10～15分钟，然后在真空环境下100～150℃加热烘烤10～30分钟；(2)玻璃纤维表面沉积Bi2Te3热电薄膜层：将清洁处理后的玻璃纤维置于可360度旋转的镀膜样品支架上，在非平衡磁控沉积系统内进行Bi2Te3热电薄膜层的生长，生长条件为：溅射靶材为商用块体Bi2Te3，背景真空度为(4～6)×10-4Pa，工作气体为0.4～0.6Pa的高纯氩气，生长加热温度范围为室温至150℃，沉积速率为≥5μm/h，沉积功率为60～100W，样品支架旋转速度为20～40转/分钟。所述的玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料的制备方法，沉积温度为室温时，Bi2Te3热电薄膜的晶粒尺寸为100～110nm，并具有(015)面外织构；沉积温度为150℃时，薄膜晶粒尺寸为1～2μm，具有(00l)面外织构。本专利技术设计思想如下：本专利技术制备的玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料一方面充分发挥了薄膜热电材料的尺度效应，使其热电性能获得了显著提升；另一方面，复合纤维材料同时具备良好的抗弯折性能，非常适合作为柔性能源材料应用于微型换能器件或传感器领域，这正是本专利技术的基本出发点。Bi2Te3为共价键半导体材料，其热电性能随成分和显微结构而变，用普通的物理化学沉积制备方法难以获得高结晶质量、性能稳定的Bi2Te3热电薄膜；Bi2Te3具有共价键化合物本征的脆性，但当其厚度限制在某一范围内时，仍然会表现出良好的柔性；同时Bi2Te3热电薄膜作为器件材料使用时需要基底的热导率尽可能的小来维持工作温差。正是基于以上的考虑，本专利技术充分利用了非平衡磁控沉积技术的优势，选用具有绝缘、低热导率和良好柔性的玻璃纤维作为基底材料，成功制备了满足上述性能要求的玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料，为拓展柔性能源器件、微型传感器等领域的发展空间提供了材料保障。本专利技术优点及有益效果如下：1、本专利技术薄膜热电材料在膜厚方向的低维化所带来的尺度效应，改变了材料费米能级附近的电子能态密度，从而使材料的Seebeck系数增加，有利于提高薄膜材料热电性能；同时，薄膜材料中包含大量的晶界与界面，可以散射声子热传导，显著降低材料的热导率，使热电性能进一步的提升。2、本专利技术薄膜热电材料的热电性能具有本征的各向异性，通过优化沉积制备的条件，调控薄膜材料的显微织构，使其最佳的热电性能方向与材料的使用方向相一致，将器件的整体性能发挥到极致。附图说明图1为均匀沉积玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料所需的样品支架结构示意图。图中，1中空可加热样品支架；2加热电极引线；3玻璃纤维。图2为测试玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料的原理图。图中，9玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料。图3为沉积厚度约为2μm的玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料扫描电镜分析照片。其中，(a)复合材料扫描电镜分析照片一；(b)复合材料扫描电镜分析照片二；(c)复合材料截面图，4玻璃纤维；5热电薄膜层。图4为基于复合热电纤维材料的微型能源器件结构示意图。图中，6n/p型热电纤维；7冷端；8热端。图5为测试弯折不同曲率半径时电阻变化的实验装置示意图。图中，10玻璃纤维/热电薄膜复合材料；11四探针法测试电极连线；12管材。具体实施方式在具体实施过程中，如图3(a)-图3(c)所示，本专利技术玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料，该复合材料包括玻璃纤维基体以及均匀沉积在其表面上的Bi2Te3热电薄膜层，形成核(玻璃纤维4)-壳(Bi2Te3热电薄膜层5)结构。其中，玻璃纤维的直径为5～10μm，并具有良好的抗弯折柔性。Bi2Te3热电薄膜层的厚度为1～2μm，膜层结构致密且与玻璃纤维表面结合良好。Bi2Te3热电薄膜层的晶粒尺寸可在100nm～2μm范围内变化，并具有(015)和(00l)垂直于薄膜的面外织构。上述玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料的制备方法，包括如下步骤：(1)玻璃纤维表面处理：为了获得良好的界面结合力，需要对玻璃纤维表面进行清洗，使用酒精、丙酮和去离子水依次淋洗10～15分钟，然后在真空环境下120℃加热烘烤20分钟；(2)玻璃纤维装样准备：如图1所示，用于样品安装的旋转样品支架结构设有中空可加热样品支架1，中空可加热样品支架1的纵向中心为旋转轴线，中空可加热样品支架1可绕旋转轴线旋转，中空可加热样品支架1的下部设置加热电极引线2，中空可加热样品支架1的中空部分设置玻璃纤维3。为了使Bi2Te3热电薄膜能均匀沉积在纤维表面，需本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种玻璃纤维/Bi2Te3热电薄膜复合材料，其特征在于：该复合材料包括玻璃纤维基体以及均匀沉积在其表面上的Bi2Te3热电薄膜层，形成核‑壳结构；其中，玻璃纤维的直径为5～10μm，Bi2Te3热电薄膜层的厚度为1～2μm，膜层结构致密且与玻璃纤维表面结合良好。

【技术特征摘要】
1.一种玻璃纤维／Bi2Te3热电薄膜复合材料，其特征在于：该复合材料包括玻璃纤维基体以及均匀沉积在其表面上的Bi2Te3热电薄膜层，形成核-壳结构；其中，玻璃纤维的直径为5～10μm，Bi2Te3热电薄膜层的厚度为1～2μm，膜层结构致密且与玻璃纤维表面结合良好；Bi2Te3热电薄膜层的晶粒尺寸在100nm～2μm范围内变化，并具有（015）和（00l）垂直于薄膜的面外织构；所述的玻璃纤维／Bi2Te3热电薄膜复合材料的制备方法，包括如下步骤：（1）玻璃纤维表面处理：对玻璃纤维表面进行清洗，使用酒精、丙酮和去离子水依次淋洗10～15分钟，然后在真空环境下100～150℃加热烘烤10～30分钟；（2）玻璃纤维表面沉积Bi2Te3热电薄膜层：将清洁处理后的玻璃纤维置于可360度旋转的镀膜样品支架上，在非平衡磁控沉积系统内进行Bi2Te3热电薄膜层的生长，生长条件为：溅射靶材为商用块体Bi2Te3，背景真空度为（4～6...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷浩，邰凯平，乔吉祥，靳群，史文博，姜辛，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：辽宁;21