一种碲化铋基热电材料的制备方法与挤压模具技术

本发明专利技术公开了一种碲化铋基热电材料的制备方法与挤压模具。挤压模具的模具槽包括入口段、连接段和出口段，入口段和出口段分别位于连接段的两端；连接段包括等径弯管段和变径段；等径弯管段连接入口段和变径段；变径段连接出口段和等径弯管段；出口段的直径小于入口段的直径。制备方法包括将碲化铋基热电材料晶棒铸锭装入挤压模具中，进行热挤压的步骤。本发明专利技术将晶棒铸锭用具有弯曲形状且进口直径大于出口直径的挤压模具通过热挤压法制备得到碲化铋基热电材料，增强热电材料各个部位的塑性变形程度和变形均匀性，实现热电性能与力学性能的双重改善。性能的双重改善。性能的双重改善。

【技术实现步骤摘要】
一种碲化铋基热电材料的制备方法与挤压模具


[0001]本专利技术涉及热电材料
，尤其涉及一种碲化铋基热电材料的制备方法与挤压模具。

技术介绍

[0002]热电材料是一种利用半导体的塞贝克效应(Seebeck effect)和珀尔帖效应(Peltier effect)将热能和电能直接转换的功能材料。基于珀尔帖效应的热电制冷器件具有体积小、无运动部件、无噪音、精度高等特点，在微电子、计算机以及航天等诸多领域已被广泛应用于电子元件的局部制冷与温度控制。近年来，随着5G产业的迅速发展，微型热电制冷器件已经成为高速率通信光模块热管理关键元器件之一。
[0003]目前，碲化铋基合金是室温性能最佳的热电转换材料，也是热电制冷器件唯一被采用的商业化材料。碲化铋基热电材料具有六方晶体结构，是一种具有各向异性的层状化合物，其中沿100晶面的层内具有较高的迁移率是其热电性能的优势。此外，相邻的碲原子层是以较弱的范德华力结合因此容易发生解离，导致机械强度较低，影响材料的可加工性和元器件的使用可靠性。随着5G等电子技术的发展，通讯光模块等器件的封装朝微型化方向发展，对热电制冷器件的微型化、可靠性和制冷功耗的要求越来越高，如何改善晶粒取向以提高碲化铋的热电性能，同时提高其力学强度以满足精细切割加工需求是提升微型制冷器件性能的关键。目前碲化铋材料的批量合成有三种主流工艺，第一种工艺是采用区熔法生长棒状晶体，这种方法可以实现良好的晶粒取向，保证沿生长方向的热电性能，目前区熔法生长的N型材料最大ZT值可达到0.9，P型材料最大ZT值可达到1.1；但是这种工艺得到的材料晶粒粗大，力学强度差，容易发生解离，而且熔体结晶的过程中会发生成分偏析，导致量产材料的均一性较差；第二种工艺是粉末冶金法，即将原料粉体混合采用球磨机械合金化、或通过熔融旋甩的方式获得碲化铋超细粉体，再通过烧结致密化；这种工艺粉体混合均匀度较高，且利用细晶强化作用改善材料的力学强度，但是由于晶粒细化导致取向度大大下降，且制粉过程中容易引入外界杂质或者造成氧化，性能较择优取向的晶棒有所下降；第三种工艺是热挤压法，将区熔晶棒在压力下进行热塑致密化，在晶粒细化的同时促进晶粒转向保证织构取向度，不仅可以使材料力学强度有所增加，同时有望保持区熔晶体良好的热电性能；此外，由于热挤压方法具有连续性，适合于商业批量化生产，因此具有潜在的开发价值。
[0004]中国专利CN101985776A和CN112893497A以及美国专利US6596226B1公开了几种同轴型的热挤压模具装置，模具置于整体腔体加热的热挤压炉中，将上段直径较粗的晶棒在一定温度和压力下经过热变形挤压入下段成为细棒；这种同轴型热挤压过程中，由于边缘晶棒边缘所受挤压程度以及内壁的摩擦力要大于晶棒中央区域，因此沿晶棒的直径方向塑性变形程度严重不均一，且挤压晶棒表面非常容易产生裂纹；同时整个整体外部加热方式使得热挤压模具的上段、变径段、下段等局部温场难以独立精确控制，最终造成挤出晶棒的强度与热电性能难以均匀稳定。因此如何精确调控热挤压工艺，实现细晶定向化排布且结
构性能均一可控仍然是目前制约碲化铋热电材料批量生产的瓶颈问题。

技术实现思路

[0005]针对上述技术问题，本专利技术提供一种碲化铋基热电材料的制备方法与挤压模具，改善热电材料的晶粒取向性，同时可以应用于其他细晶织构化合金材料的制备。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0007]一方面，本专利技术提供一种挤压模具，所述挤压模具的模具槽包括入口段、连接段和出口段，所述入口段和出口段分别位于所述连接段的两端；所述连接段包括等径弯管段和变径段；所述等径弯管段连接所述入口段和所述变径段；所述变径段连接所述出口段和所述等径弯管段；所述出口段的直径小于所述入口段的直径。
[0008]作为优选地实施方式，所述等径弯管段的弯曲角度为90
°
；
[0009]优选地，所述变径段从连接所述等径弯管段的一端至连接所述出口段的一端直径呈收敛状；
[0010]优选地，所述变径段连接所述出口段的一端的剖面夹角为30
°
～60
°
；
[0011]优选地，所述变径段与所述等径弯管段、所述出口段以弧面相接；
[0012]优选地，所述等径弯管段的中线转弯半径与所述入口段的半径比为1～5：1，更优选为1.1～3：1；
[0013]优选地，所述入口段的直径与所述出口段的直径比为1.5～5：1，更优选为2～3：1。
[0014]作为优选地实施方式，所述挤压模具还包括用于加热所述模具槽的加热机构，所述加热机构设置于所述模具槽外；
[0015]优选地，所述加热机构包括多组加热棒；所述加热棒为电阻丝式加热棒；所述多组加热棒的加热功率为单组不小于200W；
[0016]优选地，所述多组加热棒均匀设置于模具槽外；某些具体的实施方式中，所述多组加热棒设置于所述入口段、连接段和出口段的外侧；其中，所述入口段外侧设置的加热棒平行于所述入口段的径向，且以所述入口段为中心轴向等间距分布；所述出口段外侧设置的加热棒平行于所述出口段的径向，且以所述出口段为中心轴向等间距分布；
[0017]优选地，所述挤压模具还包括温度检测机构和加热控制机构；所述温度检测机构包括多组电热偶，所述多组电热偶设置于所述加热棒和所述模具槽的槽壁之间；所述加热控制机构为PID控制器；所述PID控制器与所述多组电热偶电性连接；在本专利技术的技术方案中，设置多组热电偶可以同时检测挤压模具的温度信息，反馈于PID控制器后，能够实现局部精准加热控温，控温精度优选在
±
1℃之内。
[0018]作为优选地实施方式，所述挤压模具由高强度不锈钢、碳化钨或钼合金制成。
[0019]另一方面，本专利技术提供一种碲化铋基热电材料的制备方法，包括将碲化铋基热电材料晶棒铸锭装入挤压模具中，进行热挤压的步骤；
[0020]其中，所述挤压模具为上述挤压模具；
[0021]在本专利技术的技术方案中，所述碲化铋基热电材料晶棒铸锭由所述入口段装入挤压模具中，由所述出口段挤出；所述挤压模具的等径弯管段的弯曲角度优选为90
°
。
[0022]作为优选地实施方式，所述热挤压为真空热挤压或惰性气体保护气氛中热挤压；
[0023]优选地，所述真空热挤压的真空度≤0.1Pa；
[0024]优选地，所述入口段的温度为350～500℃；
[0025]优选地，所述连接段的温度为450～550℃；
[0026]优选地，所述出口段的温度为400～550℃。
[0027]作为优选地实施方式，所述热挤压的挤出压力为80MPa～500MPa；
[0028]优选地，所述热挤压的挤出速度为0.1～5mm/min；
[0029]在某些具体的实施方式中，所述碲化铋基热电材料的制备方法包括如下步骤：将碲化铋基热电材料晶棒铸锭装入挤压模具中，然后将其一起放入热挤压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种挤压模具，其特征在于，所述挤压模具的模具槽包括入口段、连接段和出口段，所述入口段和出口段分别位于所述连接段的两端；所述连接段包括等径弯管段和变径段；所述等径弯管段连接所述入口段和所述变径段；所述变径段连接所述出口段和所述等径弯管段；所述出口段的直径小于所述入口段的直径。2.根据权利要求1所述的挤压模具，其特征在于，所述等径弯管段的弯曲角度为90
°
；优选地，所述变径段从连接所述等径弯管段的一端至连接所述出口段的一端直径呈收敛状；优选地，所述变径段连接所述出口段的一端的剖面夹角为30
°
～60
°
；优选地，所述变径段与所述等径弯管段、所述出口段以弧面相接；优选地，所述等径弯管段的中线转弯半径与所述入口段的半径比为1～5：1，更优选为1.1～3：1；优选地，所述入口段的直径与所述出口段的直径比为1.5～5：1，更优选为2～3：1。3.根据权利要求1所述的挤压模具，其特征在于，所述挤压模具还包括用于加热所述模具槽的加热机构，所述加热机构设置于所述模具槽外；优选地，所述加热机构包括多组加热棒；所述加热棒为电阻丝式加热棒；所述多组加热棒的加热功率为单组不小于200W；优选地，所述多组加热棒均匀设置于模具槽外；优选地，所述挤压模具还包括温度检测机构和加热控制机构；所述温度检测机构包括多组电热偶，所述多组电热偶设置于所述加热棒和所述模具槽的槽壁之间；所述加热控制机构为PID控制器；所述PID控制器与所述多组电热偶电性连接。4.根据权利要求1所述的挤压模具，其特征在于，所述挤压模具由高强度不锈钢、碳化钨或钼合金制成。5.一种碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘睿恒，冯江河，刘欢，周靖，刘舵，周猛辉，闵二标，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：