一种P型(Bi,Sb)2Te3基多孔热电材料的可控制备方法技术

一种P型(Bi,Sb)2Te3基多孔热电材料的可控制备方法，属于热电材料技术领域。特别涉及到多孔热电材料的结构和性能的控制。本发明专利技术将块体(Bi,Sb)2Te3和碱金属氯化物，硫酸盐，碳酸盐，硝酸盐，强碱粉末分别按摩尔比为1:0～1:2进行称量混料；通过球磨对原料进行颗粒细化，将球磨后的混料模压成型并在两面顶高压压机进行合成，合成压力为2～5GPa，温度为500～800K；高压合成的块体经过超声波清洗，恒温烘干，最终在(Bi,Sb)2Te3基体中构造出亚微米和纳米孔洞结构。本发明专利技术提出的(Bi,Sb)2Te3基多孔热电材料制备方法具有工艺简便、高效、节省成本的优点，还可有效调控多孔材料的孔隙率和孔径尺寸，能够显著降低材料的热导率，有效提升多孔材料的热电性能，拓展热电材料的最佳工作温区。作温区。作温区。

【技术实现步骤摘要】
一种P型(Bi,Sb)2Te3基多孔热电材料的可控制备方法


[0001]本专利技术属于热电材料
，特别涉及一种P型(Bi,Sb)2Te3基多孔热电材料结构和性能的可控制备方法。

技术介绍

[0002]众所周知，决定材料热电转换效率的无量纲热电优值可以用ZT值表示：ZT＝(S2σT)/κ，其中S为塞贝克(Seebeck)系数，σ为电导率，T为绝对温度，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σ、和低热导率κ的要求。热电材料研究的关键是保证电导率σ不降低的同时，降低热导率κ。随着纳米技术的深入，多孔结构热电材料成为该领域的研究热点。
[0003]本专利技术的
技术介绍
专利号：CN107507909A
[0004]专利名称：一种多孔的P型(Bi,Sb)2Te3基热电材料及其制备方法。
[0005]
技术介绍
的具体步骤如下：
[0006]第一步，先按Bi:Sb:Te物质量之比为X:(2
‑
X):3配料，0.30≤X≤0.60，即得配料A；再称取配料A的0.01～4.00wt.％的Te，即得配料B；然后将所述的配料A和配料B混合，装入石英玻璃管或高硼硅玻璃管内，真空包装；
[0007]第二步，将真空封装后的石英玻璃管或高硼硅玻璃管置于加热炉内，在600～800℃条件下熔炼5～120min，制得P型Bi2Te3基合金锭；
[0008]第三步，将所述P型Bi2Te3基合金锭粉碎并筛分，得到平均粒径为10～150μm的P型Bi2Te3基粉末；r/>[0009]第四步，称取质量为m的所述P型Bi2Te3基粉末装入石墨模具中；
[0010]m＝(83～95％)
·
P
理论
·
V
有效
(1)；
[0011]式(1)中:m表示装入石墨模具中所述P型Bi2Te3基粉末，Kg；
[0012]P
理论
表示理论密度，P
理论
＝6.79Kg/m3；
[0013]V
有效
表示所述石墨模具的有效容积，m3；
[0014]再将装有P型Bi2Te3基粉末的石墨模具置于等离子体活化烧结炉内，以20～100℃/min的速率升温至395～510℃，保温3～20min，随炉冷却；在升温的同时开始加压，加压是以相同的加压速率加压20～100MPa，升温时间和加压时间相同，保温时间和保压时间相同，保温结束时撤去压力。
[0015]第五步，将烧结完成的模具取出并脱模，完成多孔P型Bi2Te3基热电材料制备。
[0016]
技术介绍
的归纳总结：
[0017]优点：P型Bi2Te3基热电材料的多孔化转变降低了热电材料的热导率κ。
[0018]缺点：
[0019](1)热电材料制的多孔化转变必将影响电导率σ向小的趋势发展。因为在烧结过程中热电材料的晶粒逐渐增大和孔洞的产生所叠加影响所致。
[0020](2)由于材料的致密性下降，导致热电材料制品整体机械强度降低，成品合格率下
降。
[0021](3)第三步，将所述P型Bi2Te3基合金锭粉碎并筛分，得到平均粒径为10～150μm的P型Bi2Te3基粉末。由于粉碎和筛分等流程工艺的限制，理想粒径的P型Bi2Te3基粉末产出率很低，同时P型Bi2Te3基粉末产出周期加长。
[0022](4)由于P型Bi2Te3基热电材料在高温烧结时所加的压力没有达到所需GPa量级，所以P型Bi2Te3基热电材料中的孔径大小、孔径一致率的高低、通孔走向都无法得到有效控制。

技术实现思路

[0023]本专利技术旨在克服上述制备方法的技术缺陷。为使热电材料成为多孔热电材料，需在热电材料中添加一种起“占位”和“支撑”作用的材料，称为第二相添加物。本专利要解决问题是确定第二相添加物的颗粒直径、特性及清除工艺。降低热电材料的导热性，提高热电材料的致密性和电导性，提高热电材料的机械强度和成品率。
[0024]本专利技术解决技术问题如下：
[0025](1)本专利技术通过调节第二相添加物的颗粒尺寸，实现了在热电材料中构筑出孔径尺寸从10nm至300nm的孔洞结构，并控制平均孔径从94nm到170nm。
[0026](2)本专利技术通过调节第二相添加物的添加量，实现了调控热电材料孔隙率10％到39％，可显著降低热电材料的原料使用量，降低热电材料的生产成本。
[0027](3)本专利技术通过两次压机成型，提高热电材料的致密度。并在高温烧结时对热电材料进行GPa量级的高压处理，从而保证热电材料的晶粒尺寸为纳米量级。提高热电材料的机械强度和热电材料的成品率。
[0028](4)本专利技术热电材料经过无损超声波处理，将第二相添加物从热电材料中清除。
[0029](5)本专利技术实现了热电材料热导率从0.65W
·
m
‑1K
‑1大幅降低到0.39W
·
m
‑1K
‑1，使ZT值得到优化提升，并将最佳工作温度提升至中温区(493K)。
[0030]本专利技术实施步骤如下：
[0031]第一步：将(Bi,Sb)2Te3块体与碱金属氯化物(NaCl，KCl)，硫酸盐(Na2SO4，K2SO4)，碳酸盐(Na2CO4，K2CO4)，硝酸盐(NaNO4，KNO4)，含碱金属元素的碱(NaOH，KOH)等粉末材料分别按照摩尔比为1:0～1:2进行称量混料；
[0032]第二步：将混料在充氩气的球磨罐中进行球磨，球料比为5:1～10:1，行星式球磨机转速为300～600rpm，球磨时长为30～90min；
[0033]第三步：将球磨后的混料模压成圆柱型(直径6～10mm,高4～8mm)，成型压力为4～10MPa，成型时间5～10min；
[0034]第四步：将模压成型的圆柱体置于高压压机进行合成，先将压力以每分钟0.1～0.5GPa的升压速率升至2～5GPa；然后将温度以每分钟100～300K的升温速率升至500～800K；保温保压时间为10～30min；保温保压结束后卸压取出样品；
[0035]第五步:将高压合成的块体在去离子水中进行超声清洗，清洗时间为20～100min；清洗后的样品在恒温鼓风干燥箱中烘干，烘箱温度为350～450K，烘干时间为30～60min；烘干后的样品取出备用。
附图说明
[0036]图1为本专利技术通过高压所制备的第二相NaCl复合P型(Bi,Sb)2Te3基复合材料XRD图；
[0037]图2为图1所示P型(Bi,Sb)2Te3基复合材料经过超声水洗后样品的XRD图；
[0038]图3为图2所示P型(Bi,Sb)2Te3多孔材料断面SEM图；
[0039]图4为图2所示P型(Bi,Sb)2Te3多孔材料热导率随温度的变化曲线图；
[0040]图5为图2所示P型(Bi,Sb)2Te3多孔材料在493本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种P型(Bi,Sb)2Te3基多孔热电材料的可控制备方法，其特征在于所述制备方法的具体步骤如下:第一步：将(Bi,Sb)2Te3块体与碱金属氯化物(NaCl，KCl)，硫酸盐(Na2SO4，K2SO4)，碳酸盐(Na2CO4，K2CO4)，硝酸盐(NaNO4，KNO4)，含碱金属元素的碱(NaOH，KOH)等粉末材料分别按照摩尔比为1:0～1:2进行称量混料；第二步：将混料在充氩气的球磨罐中进行球磨，球料比为5:1～10:1，行星式球磨机转速为300～600rpm，球磨时长为30～90min；第三步：将球磨后的混料进行第一次模压成圆柱型(直径6～10mm,高4～8mm)，成型压力为4～10MPa，成型时间5～10min；第四步：将模压成型的圆柱体置于高压压机进行第二次高压合成，以每分钟0.1～0.5GPa的升压速率将合成压力升至2～5GPa；然后以每分钟100～300K的升温速率将合成温度升至500～800K，保温保压时间为10～30min；保温保压结束后卸压取出样品；第五步:将高压合成的圆柱体在去离子水中进行超声波清洗，清洗时间为20～100min；清洗后的样品在恒温鼓风干燥箱中烘干，烘箱温度为350～450K，烘干时间为30～60min；烘干后的样品取出备用。2.一种P型(Bi,Sb)2Te3多孔热电材料，其特征在于所述的(Bi,Sb)2Te3多孔热电材料是根据权利要求1所述的P型(Bi...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁战辉，赵昊，薛燕峰，李永峰，姚斌，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：