一种激光快速制备Half-Heusler材料的方法技术

本发明专利技术涉及一种激光快速制备Half‑Heusler材料的方法，包括：按照Half‑Heusler化合物的化学通式ABX称取A、B、X的粉末原料，混合后并置于坩埚模具中；将装有粉末原料的坩埚模具置于真空或惰性气氛中，利用激光熔融技术得到Half‑heusler材料的铸锭，所述激光熔融技术为通过选区激光加热使粉末原料快速熔融；将所得铸锭研磨成粉、过筛后，再进行放电等离子体烧结，得到所述Half‑Heusler材料。本发明专利技术首次结合激光制备技术和放电等离子烧结技SPS术制备高性能Half‑Heusler材料，该方法具有速度快，对设备要求低，能耗小、适合大批量生产的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种激光快速制备Half-Heusler材料的方法
本专利技术属于新能源材料领域，具体涉及一种激光快速制备Half-Heusler材料的方法。
技术介绍
热电材料是一种可以直接将热能和电能互相转换的环境友好型材料，它具有结构简单，体积小，可靠性高，无环境污染的特点。正是因为以上的特点，近些年来纷纷发展热电材料，目前已经应用于太阳能，工业余热利用、汽车尾气收集的系统，同时热电器件在很早开始就被广泛的用于航空航天，高温超导等领域，例如放射性元素供热电发电器(RTG)是目前唯一的太空探测器供电系统，目前已经成功地运用在美国NASA发射的“伽利略号火星探测器”和“旅行者一号”等宇航器上。但是目前商业化应用的一些热电材料，比如Bi2Te3、PbTe、GeSi等热电材料，由于组成元素价格昂贵、地壳储量极少，以及制备过程较漫长并且制备工艺较为繁琐仍难获得广泛应用，所以开发制备价格低廉，元素储量丰富的热电材料具有很重要意义。具有MgAgAs结构的三元金属间化合物都为Half-Heusler化合物，结构为面心立方，其空间群为F-43m，该体系的化学通式为ABX，其中当体系的总价电子数(VEC)等于18时，这一类的Half-Heusler结构体系一般具有窄带半导体的性质，具有不错的热电性能。近年来新开发的Half-Heusler一类的热电材料具有优异的电学和机械性能、热稳定性能和较为廉价的优点而备受关注。目前Half-Heusler材料的制备的方法主要有高温熔融结合烧结的方式，由于其原料通常同时含有高熔点的难溶金属和低熔点金属，如Nb、Ti、Ta等金属熔点在2000℃以上，而Sn等金属熔点仅为232℃，一些高温熔融工艺如电弧熔炼、感应悬浮熔炼虽可以将难融金属融化，但同时导致低熔点金属大量挥发，从而导致成分缺失；而普通高频熔融、或密封后加热炉熔融又无法将难融金属融化，进而造成混合不均及最终成分的偏析，之后长时间均匀化退火不仅效果不佳还会造成成本的大幅增加。近期有报道利用热爆反应快速合成Half-Heusler材料，能够较为快速和低成本的实现Half-Heusler材料的批量化生产，但是实现热爆反应本身需要满足苛刻的动力学和热力学条件，即反应放热所得的绝热温度要达到反应势垒温度以上，这些条件与粉体的本身性质、粉体粒度、材料的导热系数以及引燃条件有关，并非所有的Half-Heusler体系都能够达到自爆反应合成所需的动力学和热力学条件。此外热爆反应速度非常迅速，速度难以控制，容易造成成分的偏析及反应残留。综上所述，传统的制备工艺不仅较为繁琐，有的制备工艺对于设备的要求很高，制备成本较为昂贵，新型的制备工艺，能够一定程度上满足大批量低成本的要求，但是在优化性能上仍然有不足，急需进一步开发新的制备工艺以满足Half-Heusler材料快速经济、成分稳定可控的制备要求。
技术实现思路
针对上述制备Half-Heusler材料的不足之处，本专利技术的目的在于提供一种制备速度快，能耗较少，对设备要求低，可用于批量生产的Half-Heusler材料的方法。一方面，本专利技术提供了一种激光快速制备Half-Heusler材料的方法，包括：按照Half-Heusler化合物的化学通式ABX称取A、B、X的粉末原料，混合后并置于坩埚模具中；将装有粉末原料的坩埚模具置于真空或惰性气氛中，利用激光熔融技术得到Half-heusler材料的铸锭，所述激光熔融技术为通过选区激光加热使粉末原料快速熔融；将所得铸锭研磨成粉、过筛后，再进行放电等离子体烧结，得到所述Half-Heusler材料。本专利技术选用激光熔融技术制备Half-Heusler材料的铸锭，其具有非接触性，能量可精确控制、适应性比较强、资源具有能源环境友好等综合的优势，而且激光加热具有局域选区加热，作用快速准确的特点，既可用于大批量的生产，又可以适用小批量个性化产品的生产。具体来说，本专利技术通过选区激光加热使原料快速熔融，由于选区激光熔融的局域加热的特性既可以实现高温能够充分熔融难融金属，又由于短时间作用有效抑制低熔点元素的挥发，制备过程中污染元素少，元素挥发极少，掺杂元素的含量易于控制。同时由于激光加热的非接触性，可以使得被加热物质与热源无需直接接触，可以减少制备过程的污染，又因为非接触性的特点，方便设备的搭建。与新型的Half-Heusler热爆合成法相比，激光熔融可以成功制备一些无法满足热爆合成条件的体系；同时针对热爆反应中具有反应速率难以控制，成份可能会有偏析的缺点，激光熔融由于快速的使材料液化和凝固，可以有效的减少低熔点元素的挥发，使得材料更加均匀，提高材料的性能。此外，本专利技术还结合放电等离子烧结(SPS)工艺对铸锭研磨过筛后的粉体进行烧结，具体来说其是将金属等粉末装入坩埚模具(例如，石墨等材质制成的等)内，利用上、下模冲及通电电极将特定烧结电源和压制压力施加于烧结粉末，经放电活化、热塑变形和冷却制得高性能材料的一种新的粉末冶金烧结技术。因此，本专利技术首次结合激光熔融技术和放电等离子烧结的优点，制备出高性能Half-Heusler块体热电材料。较佳地，所述A、B、X的粉末原料为A、B、X所对应的单质粉体；其中，所述A为Sc、Y、La、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta中的至少一种，所述B为Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt中的至少一种，所述X为Ge、Sn、Sb、Bi中的至少一种。较佳地，所述坩埚模具为石墨模具或者铜模具。较佳地，所述坩埚模具为带有凹槽的盘状坩埚容器，所述凹槽的深度为1～20mm。较佳地，所述真空的真空度＜10Pa，所述惰性气氛为真空、氩气气氛和氦气气氛中的至少一种。较佳地，所述激光熔融技术的参数包括：加工电流为80～150A，优选为80～95A；脉宽2.5～4ms，优选为2.5～3ms；激光频率10～40Hz，优选为15～20Hz；激光移动速率为1～1000mm/min，优选为150～180mm/min；激光光斑的半径为0.1～10mm，优选为0.1～0.3mm；选区激光熔融时多道间距为1～100mm。较佳地，进行激光熔融技术的激光光源为固体激光源、气体激光源、液体激光源或半导体激光源。较佳地，所述过筛的目数为50～1000目，优选为400目。较佳地，所述放电等离子烧结的工艺参数包括：真空度＜10Pa；升温速率50～120K/min；烧结温度为1100K以上，优选为1100～1400K；烧结压力为50～65Mpa。另一方面，本专利技术还提供了一种根据上述方法制备的Half-Heusler材料。本专利技术首次结合激光制备技术和放电等离子烧结技SPS术制备高性能Half-Heusler材料，该方法具有速度快，对设备要求低，能耗小、适合大批量生产的特点。附图说明图1为激光快速制备Half-heusler材料装置图；图2为激光快速制备Half-Heusler材料流程图；图3为实施例1中步骤3)所得粉体的XRD图；图4为实施例2中步骤3)和步骤4)得到的材料的XRD图；图5为实施例2中步骤4)所得块体材料的功率因子和ZT值图6为实施例3中步骤2)所得材料的SEM形貌图；图7为实施例3中步骤3)和步骤4)所得材料的XRD图；图8为实施例3中步骤4)所得块体材料的功率因子和ZT值本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光快速制备Half‑Heusler材料的方法，其特征在于，包括：按照Half‑Heusler化合物的化学通式ABX称取A、B、X的粉末原料，混合后并置于坩埚模具中；将装有粉末原料的坩埚模具置于真空或惰性气氛中，利用激光熔融技术得到Half‑heusler材料的铸锭，所述激光熔融技术为通过选区激光加热使粉末原料快速熔融；将所得铸锭研磨成粉、过筛后，再进行放电等离子体烧结，得到所述Half‑Heusler材料。

【技术特征摘要】
1.一种激光快速制备Half-Heusler材料的方法，其特征在于，包括：按照Half-Heusler化合物的化学通式ABX称取A、B、X的粉末原料，混合后并置于坩埚模具中；将装有粉末原料的坩埚模具置于真空或惰性气氛中，利用激光熔融技术得到Half-heusler材料的铸锭，所述激光熔融技术为通过选区激光加热使粉末原料快速熔融；将所得铸锭研磨成粉、过筛后，再进行放电等离子体烧结，得到所述Half-Heusler材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述A、B、X的粉末原料为A、B、X所对应的单质粉体；其中，所述A为Sc、Y、La、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta中的至少一种，所述B为Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Os、Ir、Pt中的至少一种，所述X为Ge、Sn、Sb、Bi中的至少一种。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述坩埚模具为石墨模具或者铜模具。4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述坩埚模具为带有凹槽的盘状坩埚容器，所述凹槽的深度为1～20mm。5.根据权利要求1-4中任一项所述方法，其特征在于，所述真空的真空度＜...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立东，邢云飞，柏胜强，刘睿恒，
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