一种纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料及其制备方法，所述热电复合材料由P型硅锗合金和均匀分散在P型硅锗合金的晶界上和/或晶粒内部的纳米碳化硅颗粒两相组成，所述P型硅锗合金化学式为Si80Ge20Bx，其中x的取值范围为0.2 ≤ x ≤ 2.0，所述纳米碳化硅颗粒的体积百分含量为P型硅锗合金的0.3～2.0%。本发明专利技术采用上述方法将纳米碳化硅与P型硅锗合金进行复合，制备的热电复合材料在保持功率因子变化不大的前提下，可显著降低材料的晶格热导率，进而在整个温区范围内提高材料的热电性能。此外，本发明专利技术提供的制备方法简单、快速、原料利用率高，具有良好的产业化前景。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料及其制备方法
本专利技术涉及一种热电复合材料及其制备方法，特别涉及一种纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料及其制备方法，属于热电材料领域。
技术介绍
作为深空探测器的重要组成部分，空间能源系统的研究具有十分重要的意义。放射性同位素温差发电器由于结构简单、无机械传动、自身供能无需照看等优点成为了深空探测的首选能源，它是利用材料的塞贝克效应将放射性同位素衰变热直接转换成电能的发电器件，而能实现这种转换的核心就是热电材料。热电材料的性能主要取决于材料的无量纲热电优值ZT，该值定义为：ZT＝S2σT/κ，其中，S为Seebeck系数，σ为电导率，κ为热导率，T为绝对温度。ZT值越高，相应器件的发电和制冷效率就越高。在众多热电材料中，硅锗合金由于适用温度高、比功率高、寿命长等优点成为了最佳的放射性同位素温差发电器热电材料之一。目前，P型硅锗合金热电优值ZT远低于N型硅锗合金，限制了硅锗合金热电器件转换效率的进一步提高。提高硅锗合金材料热电性能最有效的方法是降低材料的热导率。目前采用较多的方法是细化晶粒增强声子散射，从而降低热导率。如G.Chen通过球磨法制备具有纳米结构的硅锗合金，使硅锗合金的热电性能大大提高(G.Joshi,H.Lee,Y.Lan,X.Wang,G.Zhu,D.Wang,R.W.Gould,D.C.Cuff,M.Tang,M.S.Dresselhaus,G.Chen,Z.Ren,NanoLett.2008,8,4670.X.Wang,H.Lee,Y.C.Lan,G.Zhu,G.Joshi,D.Z.Wang,J.Yang,A.J.Muto,M.Y.Tang,J.Klatsky,S.Song,M.S.Dresselhaus,G.Chen,Z.F.Ren,Appl.Phys.Lett.2008,93,193121)但该种方法制备的材料晶粒尺寸小于50nm，在使用过程中易出现晶粒长大性能下降等问题。除纳米结构化方法可降低材料晶格热导率外，在热电材料中加入少量纳米量级的第二相，也可以有效散射声子，降低材料的晶格热导，进而提高材料的热电性能。如K.Favier采用原位法制备第二相MoSi2均匀分布的N型硅锗合金复合材料，热电优值ZT达到了1.0(K.Favier,G.Bernard-Granger,C.Navone,M.Soulier,M.Boidot,J.Leforestier,J.Simon,J.C.Tedenac.D.Ravot,ActaMater.2014,64,429.)。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术在P型硅锗合金基热电材料中复合少量的纳米碳化硅颗粒作为第二相，使碳化硅颗粒均匀分布在硅锗合金基体内，增加声子散射降低材料热导率，从而提高P型硅锗合金热电性能。本专利技术提供了一种纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料，所述热电复合材料由P型硅锗合金和均匀分散在P型硅锗合金的晶界上或/和晶粒内部的纳米碳化硅颗粒两相组成，所述P型硅锗合金化学式为Si80Ge20Bx，其中x的取值范围为0.2≤x≤2.0，所述纳米碳化硅颗粒的体积百分含量为P型硅锗合金的0.3～2.0％。本专利技术的热电复合材料包含P型硅锗合金和纳米碳化硅颗粒两相。少量纳米碳化硅第二相的存在能够增加对于声子的散射，降低材料热导率，从而提高P型硅锗合金热电性能。较佳地，所述纳米碳化硅颗粒的粒径为10～300nm。较佳地，所述纳米碳化硅颗粒的体积百分含量为P型硅锗合金的0.6～0.8％。作为第二相加入的纳米碳化硅在增加对声子的的散射作用的同时本身具有较高的热导率，因此当添加量较高时，其本身的热导对于复合材料来说不可忽略，当纳米碳化硅添加量为0.6～0.8vol％时，既可通过增加对声子的的散射作用来获得较低的热导率，同时也不会因为本身的热导影响复合材料的热导率，从而复合材料可获得最佳的热导率。本专利技术还提供了一种纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料的制备方法，包括：(1)制备Si80Ge20Bx粉末；(2)向Si80Ge20Bx粉末中加入纳米碳化硅，在惰性气体保护下球磨后得纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料粉末；(3)利用放电等离子烧结系统在真空或惰性气体保护下对所得纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料粉末进行放电等离子烧结，得到所述纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料。较佳地，所述制备Si80Ge20Bx粉末的方法包括：以Si、Ge、B元素单质粉末或颗粒为原料，按照Si80Ge20Bx化学计量比配比，均匀混合，得原始粉料；将所得原始粉料封装在石英管中，在1350～1450℃下感应熔炼5～20分钟，制得Si80Ge20Bx固溶体，研磨后得到Si80Ge20Bx粉末。较佳地，所述的纳米碳化硅的粒径为10～300nm，优选10～100nm。较佳地，所述球磨的转速为300～700rpm，时间为2～5h。较佳地，所述放电等离子烧结的条件为：升温速率为80～200℃/分钟，优选为80～150℃/分钟，烧结温度为800～1100℃，优选为800～1000℃，烧结压力为40～80MPa，优选为50～70MPa，保温时间为5～30分钟，优选为5～15分钟。较佳地，所述惰气体为氮气、氩气和氦气中的至少一种，所述真空是指真空度为0.1～20Pa。本专利技术采用上述方法将纳米碳化硅与P型硅锗合金进行复合，制备的热电复合材料在保持功率因子变化不大的前提下，可显著降低材料的晶格热导率，进而在整个温区范围内提高材料的热电性能。此外，本专利技术提供的制备方法简单、快速、原料利用率高，具有良好的产业化前景。附图说明图1为实施例1制备的纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料的XRD图谱；图2为实施例3制备的纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料的SEM图像；图3为实施例3制备的纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料的HRTEM图像；图4为对比例1、实施例2、实施例3、实施例4制备的纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料的电导率随温度变化关系图；图5为对比例1、实施例2、实施例3、实施例4制备的纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料的塞贝克系数随温度变化关系图；图6为对比例1、实施例2、实施例3、实施例4制备的纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料的功率因子随温度变化关系图；图7为对比例1、实施例2、实施例3、实施例4制备的纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料的晶格热导率随温度变化关系图；图8为对比例1、实施例2、实施例3、实施例4制备的纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料的热导率随温度变化关系图；图9为对比例1、实施例2、实施例3、实施例4制备的纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料的热电优值ZT随温度变化关系图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例进一步阐述本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。以下示例性地说明本专利技术纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料的制备方案。制备Si80Ge20Bx粉末。本专利技术以Si、Ge、B单质和碳化硅为原料制备一种纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料。首先，可采用Si、Ge、B元素单质粉末或颗粒为原料制备Si80Ge20Bx粉末，即以Si、Ge、B元素单质粉末或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料，其特征在于，所述热电复合材料由P型硅锗合金和均匀分散在P型硅锗合金的晶界上和/或晶粒内部的纳米碳化硅颗粒两相组成，所述P型硅锗合金化学式为Si80Ge20Bx，其中x的取值范围为0.2 ≤ x ≤ 2.0，所述纳米碳化硅颗粒的体积百分含量为P型硅锗合金的0.3～2.0%。

【技术特征摘要】
1.一种纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料，其特征在于，所述热电复合材料由P型硅锗合金和均匀分散在P型硅锗合金的晶界上和/或晶粒内部的纳米碳化硅颗粒两相组成，所述P型硅锗合金化学式为Si80Ge20Bx，其中x的取值范围为0.2≤x≤2.0，所述纳米碳化硅颗粒的体积百分含量为P型硅锗合金的0.3～2.0%。2.根据权利要求1所述纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料，其特征在于，所述纳米碳化硅颗粒的粒径为10～300nm。3.根据权利要求1或2所述纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料，其特征在于，所述纳米碳化硅颗粒的体积百分含量为P型硅锗合金的0.6～0.8%。4.一种如权利要求1-3中任一项所述的纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料的制备方法，其特征在于，包括：（1）制备Si80Ge20Bx粉末；（2）向Si80Ge20Bx粉末中加入纳米碳化硅，在惰性气体保护下球磨后得纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料粉末；（3）利用放电等离子烧结系统在真空或惰性气体保护下对所得纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料粉末进行放电等离子烧结，得到所述纳米碳化硅/P型硅锗合金基热电复合材料。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立东，杨小燕，吴洁华，任都迪，张天松，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海,31