中温区高性能热电材料制备方法及中温区高性能热电材料技术

本发明专利技术公开了一种中温区高性能热电材料制备方法及中温区高性能热电材料，其中，该制备方法可以为GeTe基热电化合物块体制备方法，包括如下步骤：以Ge单质粉、Bi单质粉和Te单质粉为原料，采用机械合金化法处理，得到粉末；将所述粉末采用放电等离子烧结法处理，得到GeTe基热电化合物块体。该制备方法工艺操作简便，耗能少，耗时少，效率高；且得到的GeTe基热电化合物块体结晶性好，成分简单均匀，重复率高，在中温区300～500℃具有优异的热电性能。

【技术实现步骤摘要】
中温区高性能热电材料制备方法及中温区高性能热电材料
本专利技术涉及能源材料
，尤其涉及一种中温区高性能热电材料制备方法及中温区高性能热电材料
技术介绍
热电材料是一种通过塞贝克效应和帕尔贴效应来实现热能和电能直接相互转换的功能材料。热电材料的热电性能以无量纲热电优值ZT来表征：ZT＝α2σT/κ，其中α为Seebeck系数，σ为电导率，T为绝对温度，κ为热导率，高性能热电材料需要高的α、σ和低的κ。目前适用于低温区工作的热电材料主要为Bi2Te3及其固溶体；应用于中温区的主要为PbTe及其合金；适用于高温区的主要为SiGe合金、半哈勒斯合金等。热电材料的一大潜在应用为废热的收集再利用，它可以在很大程度上缓解全球能源紧缺与环境污染问题，因而具有重要的应用前景。目前，由于社会工业、汽车行业等产生的废热主要集中在中温区，故中温区热电材料的开发显得至关重要。PbTe作为一种优异的热电材料，具有高于2.0的热电优值，但是目前所报道的PbTe体系均需要在较高的温度(>500℃)才能取得热电优值的峰值，因此寻找在300～500℃之间具有与PbTe相媲美的热电性能的材料具有极大的工业应用价值。GeTe作为一种窄禁带半导体，具有优异的电、热输运性质以及结构可调整性，能够在较低的温度获得较高的热电性能。到目前为止，对于GeTe的制备主要采用熔炼结合放电等离子烧结的方式，能耗大且制备周期较长。此外，大部分的研究成果虽然取得了与PbTe相媲美的热电性能，但其所对应的温度仍然较高(>450℃)，成分也较为复杂。
技术实现思路
本专利技术旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种中温区高性能热电材料制备方法，该制备方法可以是GeTe基热电化合物块体制备方法，工艺操作简便，耗时少，且得到的GeTe基热电化合物块体结晶性好，成分简单均匀、重复率高，在中温区300～500℃具有优异的热电性能。根据本专利技术第一方面实施例的中温区高性能热电材料制备方法，该制备方法可以是GeTe基热电化合物块体制备方法，包括：步骤S1：以Ge单质粉、Bi单质粉和Te单质粉为原料，采用机械合金化法处理，得到粉末；步骤S2：将所述粉末采用放电等离子烧结法处理，得到GeTe基热电化合物块体。根据本方第一方面实施例的制备方法，相比现有技术具有如下优点：第一、制备方法工艺流程短、操作简便，耗能小，耗时少，耗能小效率高；第二、制备方法得到的GeTe基热电化合物块体结晶性好，成分简单均匀，重复率高；第三、制备方法制得的GeTe基热电化合物块体具有优异的热电性能；实验证明，在中温度区300～500℃可以获得高的热电优值，例如在较低温度如375℃可以获得具有2.0的热电优值，由此，本专利技术第一方面实施例的制备方法得到的GeTe基热电化合物块体热电材料应用价值高，可能在温差发电领域得到广泛的应用。根据本专利技术第一方面的一个实施例，所述原料中的Ge单质粉、Bi单质粉和Te单质粉的摩尔比为0.95～1.04:0～0.09:1。根据本专利技术第一方面的一些实施例，所述步骤S1具体为：所述原料装入球磨机的球磨罐中并通入保护气体后进行机械合金化反应，获得所述粉末。根据本专利技术第一方面进一步的实施例，所述保护气体为氩氢混合气体。根据本专利技术第一方面进一步的实施例，所述机械合金化法反应的条件为：球料比10:1～50:1，球磨机转速300～450r/min，反应时间为3～15h。根据本专利技术第一方面的一些实施例，所述步骤S2具体为：将所述粉末放入模具中，压实后放入放电等离子烧结炉中，在真空条件下烧结，冷却后得到所述GeTe基热电化合物块体。根据本专利技术第一方面进一步的实施例，所述模具为石墨模具。根据本专利技术第一方面进一步的实施例，所述放电等离子烧结炉的升温速度为40～180℃/min，烧结温度为400～550℃，压力为20～60MPa，保温时间为5～10分钟。根据本专利技术第一方面进一步的实施例，所述真空条件为真空度小于10Pa。根据本专利技术第二方面实施例的中温区高性能热电材料，采用本专利技术第一方面任一实施例所述的中温区高性能热电材料制备方法制得。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据本专利技术第一方面实施例的中温区高性能热电材料制备方法的流程示意图。图2根据本专利技术第一方面实施例1获得的多GeTe基热电化合物块体的X射线衍射图，表明制备的材料为纯相GeTe以及少量析出的Ge单质；图3是根据本专利技术第一方面实施例1获得的GeTe基热电化合物块体样品断面的扫描电镜照片；图4是根据本专利技术第一方面实施例1获得的GeTe基热电化合物块体样品抛光表面的元素分布照片。图5是根据本专利技术第一方面实施例1～3获得的成分为Ge1.04Te，Bi0.03Ge1.01Te和Bi0.05Ge0.99Te的GeTe基热电化合物块体样品的电阻率随温度的变化关系图。图6是根据本专利技术第一方面实施例1～3获得的成分为Ge1.04Te，Bi0.03Ge1.01Te和Bi0.05Ge0.99Te的GeTe基热电化合物块体样品的塞贝克系数随温度的变化关系图。图7是根据本专利技术第一方面实施例1～3获得的成分为Ge1.04Te，Bi0.03Ge1.01Te和Bi0.05Ge0.99Te的GeTe基热电化合物块体样品的热导率随温度的变化关系图。图8是根据本专利技术第一方面实施例1～3获得的成分为Ge1.04Te，Bi0.03Ge1.01Te和Bi0.05Ge0.99Te的GeTe基热电化合物块体样品的ZT值随温度的变化关系图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利技术，而不能理解为对本专利技术的限制。下面参考图1-8来描述根据本专利技术实施例的中温区高性能热电材料制备方法及通过该制备方法得到的中温区高性能热电材料。如图1所示，根据本专利技术第一方面实施例的中温区高性能热电材料制备方法，该制备方法可以是GeTe基热电化合物块体的制备方法，包括如下步骤：步骤S1：以Ge(锗)单质粉、Bi(铋)单质粉和Te(碲)单质粉为原料，采用机械合金化法处理，得到粉末；步骤S2：将粉末采用放电等离子烧结法处理，得到GeTe基热电化合物块体。也就是说，原料成分的组成为Ge单质粉、Bi单质粉和Te单质粉，Ge单质粉、Bi单质粉和Te单质粉均为高纯单质。其中，原料成分中的Bi单质粉的含量可以为0，即原料成分的组成可以只为Ge单质粉和Te单质粉，但在原料中加入一定量的Bi单质粉，有利于提升GeTe基热电化合物块体的热电优值。将原料采用机械合金化法处理，得到粉末。由此，操作简便，耗时少，效率高，不需要高温，耗能少。将粉末采用放电等离子烧结法处理，得到GeTe基热电化合物块体，用砂纸对其表面进行打磨后，进行物相鉴定和显微结构分析，并进行热电性能测试，结果表明，得到的GeTe基热电化合物块体结晶性良好、结构致密、成分均匀、重复率高、热电性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种中温区高性能热电材料制备方法，其特征在于，包括：步骤S1：以Ge单质粉、Bi单质粉和Te单质粉为原料，采用机械合金化法处理，得到粉末；步骤S2：将所述粉末采用放电等离子烧结法处理，得到GeTe基热电化合物块体。

【技术特征摘要】
1.一种中温区高性能热电材料制备方法，其特征在于，包括：步骤S1：以Ge单质粉、Bi单质粉和Te单质粉为原料，采用机械合金化法处理，得到粉末；步骤S2：将所述粉末采用放电等离子烧结法处理，得到GeTe基热电化合物块体。2.根据权利要求1所述的中温区高性能热电材料制备方法，其特征在于，所述原料中的Ge单质粉、Bi单质粉和Te单质粉的摩尔比为0.95～1.04:0～0.09:1。3.根据权利要求1或2所述的中温区高性能热电材料制备方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：所述原料装入球磨机的球磨罐中并通入保护气体后进行机械合金化反应，获得所述粉末。4.根据权利要求3所述的中温区高性能热电材料制备方法，其特征在于，所述保护气体为氩氢混合气体。5.根据权利要求3所述的中温区高性能热电材料制备方法，其特征在于，所述机械合金化法反应的条件为：球料比10:1～50:...

【专利技术属性】
技术研发人员：李敬锋，董金峰，孙富华，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11