一种TeBi热电化合物制造技术

本发明专利技术提供一种TeBi热电化合物，所述TeBi热电化合物由Te单质和Bi单质通过高压烧结而制成，其中Te的摩尔百分比大于等于99.5％，Bi的摩尔百分比小于等于0.5％。本发明专利技术的TeBi热电化合物组分简单，最佳工作温度在500～600K，填补了热电化合物在此温度范围内的空白。并且，该TeBi热电化合物制备材料简单周期短，工艺简单，节约能源，适合大规模工业生产。本发明专利技术的TeBi热电化合物致密度高，电阻率和热导率低，因而具有较高的热电性能，其无量纲品质因子高达0.88(@600K)。

【技术实现步骤摘要】
一种TeBi热电化合物
本专利技术属于新能源材料
，具体而言，本专利技术属于高压合成工艺领域，本专利技术提供了一种基于Te单质的TeBi热电材料。
技术介绍
热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。随着空间探索兴趣的增加、医用物理学的进展以及在地球难于日益增加的资源考察与探索活动，需要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统，热电发电对这些应用尤其合适。对于遥远的太空探测器来说，放射性同位素供热的热电发电器是唯一的供电系统。已被成功的应用于美国宇航局发射的“旅行者一号”和“伽利略火星探测器”等宇航器上。利用自然界温差和工业废热均可用于热电发电，它能利用自然界存在的非污染能源，具有良好的综合社会效益。利用帕尔帖效应制成的热电制冷机具有机械压缩制冷机难以媲美的优点：尺寸小、质量轻、无任何机械转动部分，工作无噪声，无液态或气态介质，因此不存在污染环境的问题，可实现精确控温，响应速度快，器件使用寿命长。还可为超导材料的使用提供低温环境。另外利用热电材料制备的微型元件用于制备微型电源、微区冷却、光通信激光二极管和红外线传感器的调温系统，大大拓展了热电材料的应用领域。因此，热电材料是一种有着广泛应用前景的材料，在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。目前研究较为成熟的热电材料包括：应用于低温区(300-500K)的Bi2Te3及其固溶体合金、应用于中温区(600-900K)的PbTe等。而适合500-600K工作的热电材料鲜有报道。传统的热电材料以两种及以上元素组成的化合物为基体材料，多组分材料在制备过程中，往往存在操作程序复杂、目标产物成分容易偏析、制备周期长、成本高、重复性不好等缺点，对资源和环境的负担较重。因此，获得组分更加简单的热电化合物将能够降低资源和环境负担。但是，由于热电化合物利用的是材料的电声输运性能，而电声输运性能则往往需要多种不同元素的参与，所以，技术人员在热电化合物的制备过程中，往往更倾向于选择采用多种不同元素的掺杂，即提高电声输运性能与简化组分是矛盾的。因此，目前基于单质的热电化合物方面的报道甚少。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术希望提供一种新的组分简单的、适合在500～600K温度区间工作的高性能热电材料。本专利技术提供了TeBi热电化合物，该热电化合物制备周期短、成本和能耗低。具体而言，本专利技术提供一种TeBi热电化合物，其特征在于，所述TeBi热电化合物由Te单质和Bi单质通过高压烧结而制成，其中Te的摩尔百分比大于等于99.5％，Bi的摩尔百分比小于等于0.5％。在一种优选实现方式中，所述TeBi热电化合物中Te的摩尔百分比为99.95％，Bi的摩尔百分比为0.05％。在另一种优选实现方式中，所述TeBi热电化合物中Te的摩尔百分比为99.9％，Bi的摩尔百分比为0.1％。在另一种优选实现方式中，所述TeBi热电化合物中Te的摩尔百分比为99.8％，Bi的摩尔百分比为0.2％。在另一种优选实现方式中，所述TeBi热电化合物中Te的摩尔百分比为99.5％，Bi的摩尔百分比为0.5％。在另一种优选实现方式中，所述TeBi热电化合物在制备过程中经过高压烧结步骤。在另一种优选实现方式中，所述TeBi热电化合物通过下述方式制备：(1)将Te单质和Bi单质按预定摩尔百分比混合，放置于球磨罐中，并对混合物进行去氧保护处理；(2)在球磨罐中加入酒精，并将经处理的球磨罐固定在球磨机上，以预定转速进行湿磨；(3)对经过湿法球磨步骤所获得的产品进行干燥处理，得到干燥粉末；(4)将经干燥处理的产品放入模具中并利用压片机压制成块体；(5)将压制成的块体进行高压烧结，得到致密块体，得到所需的热电材料。在本专利技术的热电材料制备过程的湿法球磨步骤中，球料质量比为20:1，转速为300转/分，预定时间段为4小时。在本专利技术的热电材料制备过程的干燥处理过程中，将经湿磨后的产物放置于真空干燥箱中，真空干燥5-10个小时，干燥温度为50--70℃。烧结过程中，采用的烧结压力为4GPa，烧结温度为900℃，升温速率为100～200℃/min，烧结时间为30min。此外，在另一种实现方式中，本专利技术的化合物采用Sb粉，用其替代Bi，掺杂物为Te元素的0.05～0.5％。本专利技术的热电化合物具有如下优点：a.本专利技术热电材料组分简单，最佳工作温度在500～600K，填补了热电化合物在此温度范围内的空白。b.制备材料周期短，工艺简单，节约能源，适合大规模工业生产。c.该热电化合物致密度高，电阻率和热导率低，因而具有较高的热电性能，其无量纲品质因子高达0.88(@600K)，与商业化应用的Bi2Te3和PbTe相当。本专利技术的其他优点、目标和特征将在下面的具体实施方式中结合附图进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的阅读和理解，这些优点和特征对于本领域技术人员而言是可以明了的。附图说明图1示出了Bi掺杂Te的电阻率随温度的变化；图2示出了Bi掺杂Te的塞贝克系数随温度的变化；图3示出了Bi掺杂Te的热导率随温度的变化；图4示出了Bi掺杂Te的品质因子随温度的变化。具体实施方式实施例1在该实施例中，以制备Te1-xBix(x＝0-0.4％)的过程为例，对本专利技术的热电材料的制备过程进行详细描述，制备过程包括如下步骤：1)配料步骤；2)湿法球磨步骤；3)干燥步骤；4)压制步骤；5)烧结步骤。下面将分别对上述的五个步骤进行详细描述。1)配料步骤以Bi粉及Te粉为主要原料，Bi粉和Te粉以一定的摩尔比进行混合，放在不锈钢球磨罐中。Bi粉和Te粉的摩尔比为0.05％:1至0.5％:1。本实施例中，采用不同的Bi粉和Te粉的摩尔比分别进行了实验，并且对所得产品的各方面性能进行了测试，结果如图1-4中所示。本实施例中，原料采用高纯Bi粉(纯度为99.99％)和Te粉(纯度为99.99％)；按Te1-xBix化学计量比对原料进行称量，总重量为5g。球料比可以设定为20:1。2)湿磨在对添加到球磨罐中的原料进行湿磨之前，通常需要对原料进行去氧和/或保护处理。去氧和/或保护处理包括将球磨罐抽真空后通入高纯Ar气，然后，重复抽真空、通高纯Ar的操作若干次，例如3-5次，以保证排尽球磨罐内部氧气。经过去氧处理后，将经处理的球磨罐固定在球磨机(例如，行星式球磨机)上，以预定转速进行湿法球磨，持续预定时间段。这里所说的预定转速优选为300转/分，预定时间段优选为240分钟。3)干燥经过湿磨之后，收集球磨罐中的样品，随后对经湿磨后的产物进行干燥处理，真空干燥一段时间，挥发掉全部有机液体(酒精)，得到干燥的粉末。在本实施例中，所采用的干燥处理过程为：将经湿磨后的产物放置于真空干燥箱中，真空干燥5-10个小时，干燥温度为50-70℃，优选60℃。4)压制将经干燥处理的产品放入模具中并利用压片机压制成块体。5)烧结最后，将压制成的块体进行加压烧结，得到致密块体，Te1-xBix(x＝0-0.5％)热电材料。优选地，在烧结过程中采用的烧结压力为4GPa。烧结温度为900℃)，升温速率为(100-200℃/min)，烧结时间为30min本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TeBi热电化合物，其特征在于，所述TeBi热电化合物由Te单质和Bi单质通过高压烧结而制成，其中Te的摩尔百分比大于等于99.5％，Bi的摩尔百分比小于等于0.5％。

【技术特征摘要】
1.一种TeBi热电化合物，其特征在于，所述TeBi热电化合物由Te单质和Bi单质通过高压烧结而制成，其中Te的摩尔百分比大于等于99.5％，Bi的摩尔百分比小于等于0.5％。2.根据权利要求1所述的TeBi热电化合物，其特征在于，所述TeBi热电化合物中Te的摩尔百分比为99.95％，Bi的摩尔百分比为0.05％。3.根据权利要求1所述的TeBi热电化合物，其特征在于，所述TeBi热电化合物中Te的摩尔百分比为99.9％，Bi的摩尔百分比为0.1％。4.根据权利要求1所述的TeBi热电化合物，其特征在于，所述TeBi热电化合物中Te的摩尔百分比为99.8％，Bi的摩尔百分比为0.2％。5.根据权利要求1所述的TeBi热电化合物，其特征在于，所述T...

【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，
申请(专利权)人：河南理工大学，
类型：发明
国别省市：河南,41