一种多坑洞低热导率氧化锌及其制备方法技术

本发明专利技术属于热电材料技术领域，公开了一种具有多坑洞形貌的低热导率氧化锌及其制备方法。本发明专利技术以四针状氧化锌晶须或微米级氧化锌粉末为原料，通过对氧化锌粉末进行高温高压烧结，使氧化锌晶粒在烧结致密化过程中物相保持不变，但微观形貌发生明显变化，晶粒表面产生大量分布均匀的坑洞，使纯氧化锌的热导率大幅降低，并有利于提升其稳定性能，为低热导率氧化锌的高效制备提供了一条新思路，适合推广应用。

A multi hole low thermal conductivity Zinc Oxide and its preparation method

The invention belongs to the technical field of thermoelectric materials, and discloses a low thermal conductivity zinc oxide with multi-hole morphology and a preparation method thereof. The present invention uses tetrapod-like zinc oxide whisker or micron-sized zinc oxide powder as raw material, through high-temperature and high-pressure sintering of zinc oxide powder, the phase of zinc oxide grain remains unchanged in the process of sintering densification, but the micro-morphology changes obviously, a large number of uniformly distributed holes are produced on the surface of the grain, and the heat of pure zinc oxide is caused. The conductivity of zinc oxide decreases greatly and the stability of zinc oxide is improved. It provides a new idea for the efficient preparation of zinc oxide with low thermal conductivity and is suitable for popularization and application.

【技术实现步骤摘要】
一种多坑洞低热导率氧化锌及其制备方法
本专利技术属于电子材料领域，具体涉及一种多坑洞低热导率氧化锌及其制备方法。
技术介绍
氧化锌具有抗氧化、耐高温、并且无污染、无毒性、制备工艺相对简单等特点，在中高温热电应用领域具有很大的应用前景，是一种极具潜力的热电材料。纯氧化锌的热导率非常高，常温条件下达到40-50W/mK[1]，是传统碲化铋热电材料的40倍以上。因此降低氧化锌材料的热导率是改善其热电性能的关键。目前，常用的降低氧化锌材料的热导率的方法为向氧化锌中掺杂其他元素来降低热导率，常见的元素有：Al、Ni、Ga、Ti、Sb、Co等，合成和制备过程通常需要相对较复杂的化学反应以及1000-1400摄氏度几十个小时的高温烧结来实现；涉及的制备工艺复杂、能耗高，不利于推广应用。因此进一步探索降低氧化锌热导率的新方法是目前研究的重点。
技术实现思路
本专利技术主要目的在于提供一种简单、高效的降低氧化锌热导率的方法，通过将氧化锌原料进行高温高压烧结，使氧化锌晶粒表面微观形貌发生明显改变，从而显著降低氧化锌材料的热导率；该方法可操作性强，过程简单，且耗时短、能耗低；所得氧化锌在烧结过程中可产生大量分布均匀的坑洞，可显著降低氧化锌基材料的热导率，有利于进一步改善其热电性能和稳定性能。为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种多坑洞低热导率氧化锌，它包括紧密连接的ZnO晶粒，且ZnO晶粒表面分布坑洞。上述方案中，所述ZnO晶粒的尺寸为5-40μm；坑洞尺寸为0.2-2μm。上述一种多坑洞低热导率氧化锌的制备方法，包括如下步骤：1)以四针状氧化锌晶须或微米氧化锌粉末为原料；用压片机对粉末原料进行压块，得氧化锌冷压块；2)将所得氧化锌冷压块进行高温高压烧结，冷却即得所述多坑洞低热导率氧化锌。上述方案中，所述微米氧化锌粉末的尺寸为0.5-2μm；所述四针状氧化锌晶须的中心体直径0.7-1.4μm，针状体根部直径0.5-14μm，针状体长度为3-200μm。优选的，所述氧化锌粉末为四针状氧化锌晶须，在高温高压条件下，所得晶粒表面形成均匀分布的坑洞，最终得到的致密化氧化锌产品的导热率可实现整体降低。上述方案中，所述冷压工艺采用的压力为150-250MPa，保压时间为4-5min。上述方案中，所述高温高压烧结工艺中，采用的压力为1.5-2.5GPa，温度为500-900℃，保温保压时间为5-15min。优选的，所述高温高压烧结工艺的烧结温度为700-800℃。上述方案中，所述高温高压烧结工艺采用六面顶液压机。根据上述方案制备的多坑洞低热导率氧化锌，在850K温度下其热导率可降低至5.05W/mK，并具有耐高温和性能稳定等优点，可有效拓宽氧化锌基材料的应用领域。本专利技术的有益效果为：1)本专利技术提供了一种具有特殊形貌低热导率的氧化锌的制备方法，以四针状氧化锌晶须或微米级氧化锌粉末为原料；通过对氧化锌粉末进行高温高压烧结，使氧化锌晶粒在烧结致密化过程中物相保持不变，但微观形貌发生明显变化以显著降低其热导率，为低导热率氧化锌的制备提供了一条新思路，有利于进一步拓宽其在热电材料等领域中的应用；2)本专利技术采用的高温高压烧结工艺，可促进氧化锌晶粒表面出现大量分布均匀的坑洞，所得氧化锌材料的热导率显著降低，且耐高温且性能稳定，具有重要的推广价值；3)本专利技术涉及的反应条件简单易于实现，高效可靠，适合推广应用。附图说明图1为本专利技术实施例1～4所得产物的XRD图谱。图2为本专利技术实施例1所得产物的SEM图。图3为实施例1、3、4所得产物和文献报道掺杂改性氧化锌的热导率随温度的变化曲线。图4为本专利技术实施例2所得产物的SEM图。图5为本专利技术实施例3所得产物的SEM图。图6为本专利技术实施例4所得产物的SEM图。图7为本专利技术实施例4所得产物的热重图谱。图8为本专利技术实施例5所得产物的SEM图。具体实施方式为了更好地理解本专利技术，下面结合实施例进一步阐明本专利技术的内容，但本专利技术的内容不仅仅局限于下面的实施例。以下实施例中，采用的四针状氧化锌晶须由唐山建华科技发展有限责任公司提供，晶须的中心体直径0.7-1.4μm，针状体根部直径0.5-14μm，针状体长度为3-200μm；平均粒径为1微米的氧化锌粉末由皓锡纳米科技有限公司提供。实施例1一种多坑洞低热导率氧化锌，其制备方法包括如下步骤：1)四针状氧化锌晶须为原料，称取2.4g放置于直径为13mm的模具中用压片机进行手动压块，调节压片机的压强为200MPa，保压时间为4分钟；得到直径为13mm、厚度为3.5mm的冷压块；2)采用TH-V六面顶液压机对步骤1)所得冷压块进行高温高压烧结，其中高温高压烧结温度为800℃，压强为2GPa，保温保压时间为10分钟；取出即得多坑洞低热导率氧化锌。将本实施例所得产物进行X射线衍射分析(见图1)，结果表明，经高温高压烧结所得产物仍为单相的ZnO。图2为本实施例所得产物的场发射扫描电镜图；图中可以观察到所得产物由粒径为20-40μm的氧化锌晶粒组成，且晶粒表面有大量均匀分布的坑洞，坑洞尺寸大小为0.5-2μm。本实施例所得产物热导率随温度变化的曲线见图3，结果表明所得产物的热导率相对传统工艺制备的掺杂改性氧化锌(Ref.；Effectsofmicrostructureevolutionontransportpropertiesofthermoelectricnickel-dopedzincoxide,JournaloftheEuropeanCeramicSociety,Volume37,Issue11,2017,Pages3541-3550.)在整个测试温度范围内都有大幅降低；在850K温度条件下可达5.05W/mK。实施例2一种多坑洞低热导率氧化锌，其制备方法包括如下步骤：1)四针状氧化锌晶须为原料，称取2.4g放置于直径为13mm的模具中用压片机进行手动压块，调节压片机的压强为200MPa，保压时间为4分钟；得直径为13mm、厚度为3.5mm的冷压块；2)采用TH-V六面顶液压机对步骤1)所得冷压块进行高温高压烧结，其中高温高压烧结温度为700℃，压强为2GPa，保温保压时间为10分钟；取出即得多坑洞低热导率氧化锌。本实施例所得产物的场发射扫描电镜图见图4，图中可以观察到所得产物由粒径为5～20μm的氧化锌晶粒组成，且晶粒表面也分布有大量坑洞。实施例3一种多坑洞低热导率氧化锌，其制备方法包括如下步骤：1)四针状氧化锌晶须为原料，称取2.4g放置于直径为13mm的模具中用压片机进行手动压块，调节压片机的压强为200MPa，保压时间为4分钟；得直径为13mm、厚度为3.5mm的冷压块；2)采用TH-V六面顶液压机对步骤1)所得冷压块进行高温高压烧结，其中高温高压烧结温度为600℃，压强为2GPa，保温保压时间为10分钟；取出即得多坑洞低热导率氧化锌。本实施例所得产物的场发射扫描电镜图见图5，图中可以观察到所得产物由粒径为5～20μm的氧化锌晶粒组成，且晶粒表面分布有大量坑洞。本实施例所得产物热导率随温度变化的曲线见图3，结果表明所得产物的热导率与传统工艺制备的掺杂改性氧化锌相比有明显下降。实施例4一种多坑洞低热导率氧化锌，其制备方法包括如下步骤：1)四针状氧化锌晶须为原料，称取2.4g放本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多坑洞低热导率氧化锌，其特征在于，它包括相互连接的ZnO晶粒，且ZnO晶粒表面分布坑洞。

【技术特征摘要】
1.一种多坑洞低热导率氧化锌，其特征在于，它包括相互连接的ZnO晶粒，且ZnO晶粒表面分布坑洞。2.根据权利要求1所述的多坑洞低热导率氧化锌，其特征在于，所述ZnO晶粒的尺寸大小为5-40μm；坑洞尺寸大小为0.2-2μm。3.权利要求1或2所述多坑洞低热导率氧化锌的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)以四针状氧化锌晶须或微米氧化锌粉末为原料，将其进行冷压，得氧化锌冷压块；2)将所得氧化锌冷压块进行高温高压烧结，冷却即得所述多坑洞低热导率氧化锌。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述微米氧化锌粉末的尺寸为0.5-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：段波，李亚锋，李家良，余瑞，王洪涛，陈刚，翟鹏程，张清杰，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42