一种Fe掺杂BiCuSeO热电材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种Fe掺杂BiCuSeO热电材料及其制备方法。其技术方案是：按照氧化铋粉∶铜粉∶硒粉∶铋粉∶铁粉的物质的量之比为1∶3∶3∶(1‑3y)∶3y配料，0.01≤3y＝x≤0.08，混匀，装入球磨罐中，在惰性气氛条件下球磨，制得单相FexBi1‑xCuSeO粉末，0.01≤x≤0.08。将所述单相FexBi1‑xCuSeO粉末装入模具，置于等离子体活化烧结炉内，同时匀速升温至500～700℃和匀速升压至30～100MPa，同时保温和保压，再同时匀速降温至常温和匀速降压至常压。取出烧结后的模具，脱模，即得Fe掺杂BiCuSeO热电材料。本发明专利技术工艺简单、生产周期短和生产效率高，所制备的制品纯度高、热导率低、电导率高、电传输性能好、功率因子高和无量纲热电优值ZT高。

A Fe doped BiCuSeO thermoelectric material and its preparation method

The present invention relates to a Fe doped BiCuSeO thermoelectric material and a preparation method. The technical scheme is: according to the bismuth oxide powder, copper powder, selenium, bismuth powder: powder of the molar ratio of 1: 3: 3: (1 3Y): 3Y = 3Y = 0.01 ingredients, X 0.08, mixing tank is arranged into the ball grinding, milling under inert atmosphere prepare single-phase FexBi1 xCuSeO powder, 0.01 = x = 0.08. \u5c06\u6240\u8ff0\u5355\u76f8FexBi1\u2011xCuSeO\u7c89\u672b\u88c5\u5165\u6a21\u5177\uff0c\u7f6e\u4e8e\u7b49\u79bb\u5b50\u4f53\u6d3b\u5316\u70e7\u7ed3\u7089\u5185\uff0c\u540c\u65f6\u5300\u901f\u5347\u6e29\u81f3500\uff5e700\u2103\u548c\u5300\u901f\u5347\u538b\u81f330\uff5e100MPa\uff0c\u540c\u65f6\u4fdd\u6e29\u548c\u4fdd\u538b\uff0c\u518d\u540c\u65f6\u5300\u901f\u964d\u6e29\u81f3\u5e38\u6e29\u548c\u5300\u901f\u964d\u538b\u81f3\u5e38\u538b\u3002 After removing the sintered mould, the Fe doped BiCuSeO thermoelectric material was obtained. The invention has the advantages of simple process, short production cycle and high production efficiency. The prepared products have high purity, low thermal conductivity, high electrical conductivity, good electrical transmission performance, high power factor and dimensionless thermoelectric merit value of ZT.

【技术实现步骤摘要】
一种Fe掺杂BiCuSeO热电材料及其制备方法
本专利技术属于热电材料
具体涉及一种Fe掺杂BiCuSeO热电材料及其制备方法。
技术介绍
热电材料能够实现热能和电能的直接转换，在利用高温工业低品位余热和分布式低温余热进行温差发电方面具有较好的应用前景，已成为当前材料领域的研究热点。决定材料热电转换效率的关键参数“无量纲优值”ZT＝(S2σ/κ)T；其中：S为塞贝克系数、σ为电导率和κ为热导率。一种性能优良的热电材料应该满足高电动势、高电导率和低热导率的要求。目前技术上较为成熟、性能较好的热电材料多为金属半导体合金，虽然其热电转换效率相对较高，但在高温下不稳定和容易氧化，且多数原材料价格昂贵，并含有对人体有害的重金属。相比之下，氧化物热电材料具有优良的热稳定性、化学稳定性、高温抗氧化性且安全无毒，但由于电导率较低和电输运性能较差，导致无量纲热电优值ZT不高，限制了它的应用。BiCuSeO基热电材料由于其特殊的自然超晶格结构和低杨氏模量等特点，其热导率在室温条件下为0.6Wm-1K-1和923K条件下为0.4Wm-1K-1，塞贝克系数在300K到923K温度范围内大于300μVK-1，是一种很有前景的热电材料。但与其它氧化物热电材料一样，同样存在电导率不高、电输运性能较差、功率因子较低和无量纲热电优值ZT较低的缺陷。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种工艺简单、生产效率高的Fe掺杂BiCuSeO热电材料的制备方法，所制备的Fe掺杂BiCuSeO热电材料纯度高、热导率低、电导率较高、电传输性能好、功率因子较高和无量纲热电优值ZT较高。为实现上述之目的，本专利技术采用的技术方案为：所述Fe掺杂BiCuSeO热电材料的化学式为FexBi1-xCuSeO，0.01≤x≤0.08，所述Fe掺杂BiCuSeO热电材料的制备方法是：第一步、按照氧化铋粉∶铜粉∶硒粉∶铋粉∶铁粉的物质的量之比为1∶3∶3∶(1-3y)∶3y配料，0.01≤3y＝x≤0.08，然后混合均匀，得混合粉末。第二步、将所述混合粉末装入球磨罐中，在惰性气氛条件下球磨5～12h，制得单相FexBi1-xCuSeO粉末，0.01≤x≤0.08。第三步、将所述单相FexBi1-xCuSeO粉末装入模具，置于等离子体活化烧结炉内，然后同时开始匀速升温和匀速升压，同时升至温度为500～700℃和升至压强为30～100MPa，同时保温和保压，保温和保压的时间均为3～20min，再同时开始匀速降温和匀速降压，同时降至常温和常压。所述匀速升温的速率为20～100℃/min；所述匀速降温的速率为20～50℃/min。第四步、取出烧结后的模具，脱模，即得Fe掺杂BiCuSeO热电材料。所述氧化铋粉的纯度为≥99.99wt％，氧化铋粉的粒径≤150μm。所述铜粉的纯度为≥99.99wt％；铜粉的粒径≤150μm。所述硒粒的纯度为≥99.99wt％；硒粒的粒径为≤150μm。所述铋粉的纯度为≥99.99wt％；铋粉的粒径≤150μm。所述铁粉的纯度为≥99.99wt％；铁粉的粒径≤150μm。所述球磨的设备为高能行星球磨机，球料质量比为(10～25)∶1，所述高能行星球磨机的转速为200～600r/min。由于采用上述技术方案，本专利技术具有以下优点：1、本专利技术以Bi2O3、Cu、Se、Bi和Fe粉为原料，采用机械合金化结合等离子体活化烧结工艺，球磨5～12h，即可获得单相FexBi1-xCuSeO(0.01≤x≤0.08)粉末；等离子体活化烧结时间最短只需18min，即在较短时间内能快速制得Fe掺杂BiCuSeO热电材料(以下简称热电材料)，所制热电材料相对密度超过98％，具有工艺简单、生产周期短、生产效率高、产品纯度高和致密度高的特点。2、本专利技术采用机械合金化结合等离子体活化烧结技术制得的所述热电材料，不仅晶粒细小且成片层状，且可形成弥散分布的纳米相，能有效降低所述热电材料的热导率。3、本专利技术采用Fe取代BiCuSeO基热电材料的Bi位，所制备的Fe掺杂BiCuSeO热电材料能有效降低带隙、提高电输运性能和提高功率因子和无量纲热电优值ZT。制备的Fe掺杂BiCuSeO热电材料最高功率因子为0.28～0.39，相比无掺杂的BiCuSeO热电材料最高功率因子0.20提高了40～80％；Fe掺杂BiCuSeO热电材料最高无量纲热电优值ZT提高到0.55～0.76，相比无掺杂的BiCuSeO热电材料最高无量纲热电优值ZT为0.44提高了25～73％。因此，本专利技术具有工艺简单、生产周期短和生产效率高的特点，所制备的Fe掺杂BiCuSeO热电材料纯度高、热导率低、电导率高、电传输性能好、功率因子高和无量纲热电优值ZT高。附图说明图1是本专利技术制备的6种Fe掺杂BiCuSeO热电材料的XRD图谱；图2是图1中x＝0.08的Fe掺杂BiCuSeO热电材料断口的SEM图；图3是图1所示Fe掺杂BiCuSeO热电材料的电导率随温度变化的曲线图；图4是图1所示Fe掺杂BiCuSeO热电材料的塞贝克系数随温度变化的曲线图；图5是图1所示Fe掺杂BiCuSeO热电材料的功率因子随温度变化的曲线图；图6是图1所示Fe掺杂BiCuSeO热电材料的热导率随温度变化的曲线图；图7是图1所示Fe掺杂BiCuSeO热电材料的无量纲热电优值ZT随温度变化的曲线图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的描述，并非对其保护范围的限制：为避免重复，先将本具体实施方式所涉及的物料同意描述如下，实施例中不再赘述：所述氧化铋粉的纯度为≥99.99wt％，氧化铋粉的粒径≤44μm。所述铜粉的纯度为≥99.99wt％；铜粉的粒径≤33μm。所述硒粒的纯度为≥99.99wt％；硒粉的粒径为≤150μm。所述铋粉的纯度为≥99.99wt％；铋粉的粒径≤150μm。所述铁粉的纯度为≥99.99wt％；铁粉的粒径≤150μm。实施例1一种Fe掺杂BiCuSeO热电材料及其制备方法。所述制备方法的步骤是：所述Fe掺杂BiCuSeO热电材料的化学式为FexBi1-xCuSeO，0.01≤x≤0.02。第一步、按照氧化铋粉∶铜粉∶硒粉∶铋粉∶铁粉的物质的量之比为1∶3∶3∶(1-3y)∶3y配料，0.01≤3y＝x≤0.02，再混合均匀，得混合粉末。第二步、将所述混合粉末装入球磨罐中，在惰性气氛条件下球磨5～8h，制得单相FexBi1-xCuSeO粉末，0.01≤x≤0.02。第三步、将所述单相FexBi1-xCuSeO粉末装入模具，置于等离子体活化烧结炉内，然后同时开始匀速升温和匀速升压，同时升至温度为500～600℃和压强为30～50MPa，同时保温和保压，保温和保压的时间均为3～10min，再同时开始匀速降温和匀速降压，同时降至常温和常压。所述匀速升温的速率为20～50℃/min；所述匀速降温的速率为20～35℃/min。第四步、取出烧结后的模具，脱模，即得Fe掺杂BiCuSeO热电材料。所述球磨的设备为高能行星球磨机，球料质量比为(10～15)∶1，所述高能行星球磨机的转速为200～400r/min。本实施例制备的Fe掺杂BiCuSeO热电材料最高功率因子为0.28～0.30，相比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Fe掺杂BiCuSeO热电材料的制备方法，其特征在于所述Fe掺杂BiCuSeO热电材料的化学式为FexBi1‑xCuSeO，0.01≤x≤0.08，制备方法是：第一步、按照氧化铋粉∶铜粉∶硒粉∶铋粉∶铁粉的物质的量之比为1∶3∶3∶(1‑3y)∶3y配料，0.01≤3y＝x≤0.08，然后混合均匀，得混合粉末；第二步、将所述混合粉末装入球磨罐中，在惰性气氛条件下球磨5～12h，制得单相FexBi1‑xCuSeO粉末，0.01≤x≤0.08；第三步、将所述单相FexBi1‑xCuSeO粉末装入模具，置于等离子体活化烧结炉内；然后同时开始匀速升温和匀速升压，同时升至温度为500～700℃和升至压强为30～100MPa，保温和保压的时间均为3～20min；再同时开始匀速降温和匀速降压，同时降至常温和常压；所述匀速升温的速率为20～100℃/min；所述匀速降温的速率为20～50℃/min；第四步、取出烧结后的模具，脱模，即得Fe掺杂BiCuSeO热电材料。

【技术特征摘要】
1.一种Fe掺杂BiCuSeO热电材料的制备方法，其特征在于所述Fe掺杂BiCuSeO热电材料的化学式为FexBi1-xCuSeO，0.01≤x≤0.08，制备方法是：第一步、按照氧化铋粉∶铜粉∶硒粉∶铋粉∶铁粉的物质的量之比为1∶3∶3∶(1-3y)∶3y配料，0.01≤3y＝x≤0.08，然后混合均匀，得混合粉末；第二步、将所述混合粉末装入球磨罐中，在惰性气氛条件下球磨5～12h，制得单相FexBi1-xCuSeO粉末，0.01≤x≤0.08；第三步、将所述单相FexBi1-xCuSeO粉末装入模具，置于等离子体活化烧结炉内；然后同时开始匀速升温和匀速升压，同时升至温度为500～700℃和升至压强为30～100MPa，保温和保压的时间均为3～20min；再同时开始匀速降温和匀速降压，同时降至常温和常压；所述匀速升温的速率为20～100℃/min；所述匀速降温的速率为20～50℃/min；第四步、取出烧结后的模具，脱模，即得Fe掺杂BiCuSeO热电材料。2.根据权利要求1所述的Fe掺杂BiCuSeO热电材料，其特征在于所述氧化铋...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊希安，冯波，江程鹏，李光强，贺铸，李亚伟，
申请(专利权)人：武汉科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42