一种热电材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种热电材料，包括以下摩尔比的组分：1000摩尔份的Pb，1000摩尔份的Se，1～10摩尔份Cu。还涉及一种热电材料的制备方法，将1000摩尔份的Pb粉、1000摩尔份的Se粉、1～10摩尔份Cu粉混合烧结成块，再热压成型。本发明专利技术的热电材料电输运性能优异且晶格热导率低。

A Thermoelectric Material and Its Preparation Method

The invention relates to a thermoelectric material, which comprises the following components of molar ratio: 1000 molar parts of PB, 1000 molar parts of SE, and 1-10 molar parts of Cu. The invention also relates to a preparation method of thermoelectric materials, in which 1000 molar parts of PB powder, 1000 molar parts of SE powder and 1-10 molar parts of Cu powder are mixed and sintered into lumps, and then hot-pressed. The thermoelectric material of the invention has excellent electrical transport performance and low lattice thermal conductivity.

【技术实现步骤摘要】
一种热电材料及其制备方法
本专利技术涉及一种热电材料以及该热电材料的制备方法，属于复合材料

技术介绍
在世界能源快速消耗，环境污染日益严重的今天，对可持续发展的清洁能源的需求愈演愈烈。热电材料是一种能够利用内部载流子运动实现热能和电能相互直接转换的功能材料，因此热电器件具有一定的优势，比如没有移动部件、无噪音、使用寿命长等，并可应用于多种领域，大到如航空、航天领域，小到如日常生活、商用发电制冷等，它作为一种具有广泛应用前景的环境友好材料随着能源的问题的加剧而得到了越来越多的关注与研究。PbTe作为一种性能优异的中温区热电材料，对其热电性能各方面的研究已比较完善和成熟。但是从客观角度考虑，Te是一种地壳中含量比较少的元素，且价格较贵，限制了PbTe实际的应用价值。PbSe作为一种铅的硫族化合物，性质和PbTe类似，也具有优异的热电性能，从而得到广泛的研究，并已有研究证明它有望成为PbTe的替代品。PbSe相对于PbTe而言，在相同载流子浓度和相同温度下的Seebeck系数都较小，如何增大Seebeck系数，提高P型PbSe的热电性能是本领域技术人员亟待解决的问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是，提供一种电输运性能优异且晶格热导率低的热电材料及其制备方法。本专利技术为解决上述技术问题提出的一种技术方案是：一种热电材料，包括以下摩尔比的组分：1000摩尔份的Pb，1000摩尔份的Se，1～10摩尔份Cu。所述Cu的摩尔份是1.25～7.5摩尔份。所述Cu的摩尔份是2.5～3.75摩尔份。所述Cu的摩尔份是2.5摩尔份。本专利技术为解决上述技术问题提出的另一种技术方案是：一种热电材料的制备方法，将1000摩尔份的Pb粉、1000摩尔份的Se粉、1～10摩尔份Cu粉混合烧结成块，再热压成型。配料混合时采用氩气保护烧结时采用氩气保护，以1.5℃/min～5℃/min的速度从室温升温至1080℃～1200℃，保温10h～50h，然后炉冷。热压成型时，压力为60MPa～70MPa，温度为580℃～620℃，保持10min～20min。所述Cu的摩尔份是2.5～3.75摩尔份。所述Cu的摩尔份是2.5摩尔份。本专利技术具有积极的效果：本专利技术的热电材料在PbSe材料中掺杂了Cu，Cu在PbSe中的固溶度非常小，但在高温下的固溶极限会明显增加。Cu对电性能和热性能有双重影响作用：一方面间隙Cu固溶度随温度增加而增大，能够实现整个温区的载流子浓度优化，从而表现出优异的电输运性能；另一方面，由于高温下Cu的进一步溶解，以及间隙Cu的扩散，大大增强了对声子的散射作用，显著地降低了样品的晶格热导率。掺杂Cu的PbSe样品的热电性能得到极大的提高，ZT值最高达到约1.3，具备较好的应用前景。附图说明图1是实施例1至4样品的载流子浓度随温度变化的情况图。图2是实施例1至5样品的的功率因子随温度变化的曲线图。图3是实施例1至5样品的总热导率随温度变化的曲线图。图4是实施例1至5样品的ZT值随温度变化的曲线图。具体实施方式实施例1本实施例的热电材料的制备方法是将1000摩尔份的Pb粉、1000摩尔份的Se粉、2.5摩尔份Cu粉混合烧结成块，再热压成型。具体的步骤如下：1、原料与配制所用Pb粒和Se粉的纯度大于99.9%，Cu等掺杂元素的纯度大于99%。配样过程在Ar气氛保护下的手套箱里完成。首先需要把整个过程中使用到的装置设备和样品都一一准备好，装样品的坩埚、石英玻璃管、玻璃塞等都用酒精清洗干净并放置于烘箱内2h烘干。随后通过连有真空泵的密封装置将玻璃管抽成真空，在每个玻璃管上大约一半处用氧气-丙烷火焰枪打一个浅点，用来卡住封口的玻璃塞。然后，计算需要实验样品的配比(总质量为4克)进行配制。将按照化学计量比配制的样品用天平称量后倒入石墨坩埚中，并将坩埚振荡以确保样品完全沉于底部。全部配置完毕之后，将每个坩埚放入对应的石英玻璃管之中，接着把每个玻璃管用密封装置在手套箱内密封好且固定于封管装置中，并用Ar气洗气三遍，保持2Pa的负压进行密封，最后烧结。2、烧结井式炉，可以达到1200℃，以5℃/min从室温升到1100℃，然后在此温度下退火50h，随后炉冷降温。3、热压成型在性能测试之前，通过热压炉将样品热压成块，然后切成所要规格的样品进行测试。本实施例热压直径为10mm的样品在压力为65MPa和温度600℃下保持10分钟。4、热电性能测试电导率和Seebeck系数的利用日本的ULVAC-RIKOZEM-3测试系统进行测量，测试温度范围为室温到800℃，保护气体为He气。样品形状为，长10mm，宽和高3mm的长条样品。热导率通过公式计算得到，式中Cp为比热，D为样品的密度，为热扩散系数。密度通过阿基米德排水法测试得到。比热通过铅硫族化合物的经验公式计算得到，Cp/kBatom-1K-1=3.07+4.710-4(T/K-300)，为波尔兹曼常数。热扩散系数用仪器NetzschLFA457激光热导率仪测试得到，样品的尺寸要求为直径10mm，厚度为2mm的圆片，在吹扫气为Ar的气氛下测试。制备出来的样品，首先要经过XRD衍射仪表征，确定样品是否为单相，所用仪器为RigakuD/max-2200，K射线。如有需要，还要表征热压后块状样品的XRD结构，以确定是否由于压力等原因使样品结构等发生了变化。实施例2本实施例的其余部分与实施例1相同，不同之处在于：Cu的摩尔份是1.25摩尔份。实施例3本实施例的其余部分与实施例1相同，不同之处在于：Cu的摩尔份是3.75摩尔份。实施例4本实施例的其余部分与实施例1相同，不同之处在于：Cu的摩尔份是5摩尔份。实施例5本实施例的其余部分与实施例1相同，不同之处在于：Cu的摩尔份是7.5摩尔份。性能测试：1、电性能如图1所示，测试的是实施例1至4样品的载流子浓度随温度变化的情况。结果表明，在高温下，电导率变大的同时，载流子浓度确实也在变大。室温下的载流子浓度，而随着Cu含量的增大而增大，到Cu摩尔份为5摩尔时已经接近饱和。如图2所示，测试的是实施例1至5样品的的功率因子随温度变化的曲线图。室温下，随着Cu含量的增加，功率因子逐渐减小。可见虽然电导率随着Cu含量的增大而增大，但是Seebeck系数相应地减小，因此Seebeck系数在这种情况起着主要作用，过小的Seebeck会使得功率因子下降。然而，虽然Cu含量在0.00125时，样品的室温功率因子最大，但是随着温度的升高，功率因子急剧下降，从室温的29μWcm-1K-2降到825K的15μWcm-1K-2。反观室温下功率因子较小的样品，PF随着温度的升高而上升，并且Cu含量越高，上升的幅度越大，在600K左右时，功率因子几乎相同，在825K时，功率因子达到17μWcm-1K-2，样品在高温时保持了较高的功率因子。2、热导率如图3所示，测试的是实施例1至5样品的总热导率随温度变化的曲线图。总体上，在室温的时候总热导率随着Cu含量的增大而增大，Cu含量为实施例1、2、4这三个样品可以通过电子热导率对总热导率的贡献大小解释。由于电导率随着Cu含量的增大而增大，所以总热导率也在增大。但是，实施例5样品的电导率比实施例4的样品小，而它的总热导率却最大，这可能跟它的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热电材料，其特征在于，包括以下摩尔比的组分：1000摩尔份的Pb，1000摩尔份的Se，1～10摩尔份Cu。

【技术特征摘要】
1.一种热电材料，其特征在于，包括以下摩尔比的组分：1000摩尔份的Pb，1000摩尔份的Se，1～10摩尔份Cu。2.根据权利要求1所述的热电材料，其特征在于：所述Cu的摩尔份是1.25～7.5摩尔份。3.根据权利要求2所述的热电材料，其特征在于：所述Cu的摩尔份是2.5～3.75摩尔份。4.根据权利要求3所述的热电材料，其特征在于：所述Cu的摩尔份是2.5摩尔份。5.一种热电材料的制备方法，其特征在于：将1000摩尔份的Pb粉、1000摩尔份的Se粉、1～10摩尔份Cu粉混合烧结成块，再热压成型。6.根据权利要求5所述的热电材料的制备方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘叶烽，游理，骆军，张继业，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31