一种提升p型多晶碲化铋材料性能的方法以及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种提升p型多晶碲化铋材料性能的方法，将p型多晶Bi

【技术实现步骤摘要】
一种提升p型多晶碲化铋材料性能的方法以及制备方法
本专利技术属于能源材料
，提供了一种提升p型多晶碲化铋材料性能的制备方法。
技术介绍
热电材料是一种可以利用Seebeck和Peltier效应实现热能-电能转化的清洁能源材料。通过热电材料制备而成的热电器件主要应用于热电发电和热电制冷两方面，具有质量轻、尺寸小、结构简单、无污染无噪音、无传动部件、可靠性高的优点，已广泛应用于微区精准控温、微区制冷等领域，具有巨大的发展前景。热电器件的转换效率主要取决于材料的热电性能，常用无量纲热电优值ZT来衡量，ZT＝S2σT/κ，其中S为Seebeck系数，σ为电导率，κ为总热导率，T为绝对温度。所以，为了得到更高的ZT值，优秀的热电材料需要拥有较高的Seebeck系数，较高的电导率和较低的热导率。Bi2Te3基合金是目前室温下性能最好的热电材料，也是研究最早最成熟的热电材料之一，具有室温附近无量纲优值ZT≈1的优良性能，是当前商业化生产的一种热电材料。目前商业化使用的一般是区熔碲化铋材料，由于碲化铋基化合物为三方晶系，属于空间群R-3m，沿晶体学c轴方向为—Te(1)—Bi—Te(2)—Bi—Te(1)—五原子层交替重复排列，其中Te(1)-Te(1)层间则以范德瓦尔斯力结合，这种较弱的键合使得Bi2Te3化合物晶体在Te(1)-Te(1)原子面间很容易沿基面滑移或解理，导致Bi2Te3化合物单晶的力学性能很差。为了提高材料的力学性能，一般采用粉末冶金和烧结的方法制备多晶材料，最终相较于单晶显著劣化材料电导率，导致制备的热电器件内阻较高，电热转换效率显著降低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种提升p型多晶碲化铋材料性能的制备方法，通过复原材料在破碎过程中产生的缺陷，避免氧元素与材料反应降低载流子浓度，得到具有较高电导率与热电优值的p型多晶碲化铋材料。本专利技术为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：一种提升p型多晶碲化铋材料性能的方法，将p型多晶Bi2Te3化合物粉体置于非氧气气氛中放置1～5天，温度为20～50℃，以驱离粉体表面吸附的氧气，然后再进行放电等离子烧结，从而得到高性能p型多晶Bi2Te3热电材料。其中，非氧气气氛包括氮气、氩气、氦气等。一种提升p型多晶碲化铋材料性能的制备方法，包括如下步骤：(1)根据p型多晶Bi2Te3热电材料的化学组成中各元素的化学计量比，称量高纯的单质Bi粉、Sb粉、Te粉作为原料；(2)将步骤(1)所述原料的粉末混合均匀，然后冷压成块体；(3)将步骤(2)所得的块体真空密封于玻璃管中，放置于马弗炉进行热爆反应；(4)将步骤(3)热爆反应得到的块材研磨过筛，随后置于氩气气氛炉，氩气气氛下放置，时间1～5天，温度为20～50℃；(5)将步骤(4)所得粉末进行放电等离子活化烧结，得到高性能p型多晶Bi2Te3热电材料。按上述方案，所述p型多晶Bi2Te3热电材料的化学组成BixSb2-xTe3(x＝0.45～0.55)。按上述方案，步骤(1)中原料粉末一般经过球磨过筛，过筛粒径优选为50～400目。按上述方案，步骤(2)中冷压的压力为5～30MPa，保压时间为5min～30min。按上述方案，步骤(3)中，热爆过程的温度为673K～873K，保温时间为15s～5min。按上述方案，步骤(4)中，置于氩气气氛炉放置1～5天，温度为室温即可。按上述方案，所述放电等离子活化烧结的温度为673K～773K，保温时间为5～20min。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术采用热爆法大批量制造p型碲化铋，通过长时间的氩气气氛驱离破碎过程中样品表面吸附的氧气，复原材料在破碎过程中产生的缺陷，从而避免烧结过程中氧元素与材料反应造成的载流子浓度降低及电导率劣化，最终获得了具有较高电导率与热电优值的p型多晶碲化铋材料。附图说明图1为对比例、实施例1～3所制备样品的XRD图。图2为对比例、实施例1～3所制备样品的电导率随温度变化关系。图3为对比例、实施例1～3所制备样品的Seebeck系数随温度变化关系。图4为对比例、实施例1～3所制备样品的功率因子随温度变化关系。图5为对比例、实施例1～3所制备样品的热导率随温度变化关系。图6为对比例、实施例1～3所制备样品的ZT值随温度变化关系。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，但本专利技术不仅仅局限于下面的实施例。对比例一种p型多晶碲化铋材料的制备方法，包括如下步骤：(1)按照Bi0.5Sb1.5Te3的化学组成(即Bi、Sb、Te的摩尔比为0.5:1.5:3)称量高纯的单质Bi、Sb、Te并分别研磨为粉末，过200目筛；(2)将步骤(1)得到的粉末混合均匀并且冷压成块体，压强为20MPa，保压10min；(3)将步骤(2)所得的块体真空密封于玻璃管中，放置于马弗炉进行热爆反应，热爆温度823K，热爆时间为1min；(4)将热爆得到的块材研磨过200目筛；(5)将步骤(4)所得粉末进行放电等离子活化烧结，烧结的温度为723K，保温时间为6min，得到高性能D型多晶碲化铋热电材料。对实施例1所制备的p型多晶Bi2Te3热电材料进行性能测试，在300～400K范围内的电导率、Seebeck系数、功率因子、热导率和ZT值如表1所示。表1300K325K350K375K400K电导率(104S/m)6.986.075.274.664.17Seebeck系数(μV/K)231243245244240功率因子(mV/mK2)3.743.593.172.782.43热导率(W/mK)1.081.041.051.11.2ZT1.041.11.00.940.82实施例1本实施例与对比例的不同之处在于：步骤(4)中将热爆得到的块材研磨过200目筛后置于氩气气氛炉1天，温度为室温。对实施例2所制备的p型多晶Bi2Te3热电材料进行性能测试，在300～400K范围内的电导率、Seebeck系数、功率因子、热导率和ZT值如表2所示。表2300K325K350K375K400K电导率(104S/m)9.768.5...

【技术保护点】
1.一种提升p型多晶碲化铋材料性能的方法，其特征在于将p型多晶Bi

【技术特征摘要】
1.一种提升p型多晶碲化铋材料性能的方法，其特征在于将p型多晶Bi2Te3化合物粉体置于非氧气气氛中放置一段时间，驱离粉体表面吸附的氧气，然后再进行放电等离子烧结，从而得到高性能p型多晶Bi2Te3热电材料。


2.根据权利要求1所述的一种提升p型多晶碲化铋材料性能的方法，其特征在于非氧气气氛包括氮气、氩气、氦气。


3.根据权利要求1所述的一种提升p型多晶碲化铋材料性能的方法，其特征在于放置时间为24小时以上，温度为20~50℃。


4.一种提升p型多晶碲化铋材料性能的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）根据p型多晶Bi2Te3热电材料的化学组成中各元素的化学计量比，称量单质Bi粉、Sb粉、Te粉作为原料；
（2）将步骤（1）所述原料的粉末混合均匀，然后冷压成块体；
（3）将步骤（2）所得的块体真空后进行热爆反应；
（4）将步骤（3）热爆反应得到的块体研磨过筛，随后置于惰性气体或氮气的气氛炉中放置一段时间；
（5）将步骤（4）所得粉末进行放电等离子活化烧结，得到高性能p型多晶Bi2Te3热电材料。

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【专利技术属性】
技术研发人员：唐新峰，张政楷，苏贤礼，陶奇睿，唐昊，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42