一种适用于Mg3Sb2-Mg3Bi2基热电材料的阻挡层及其使用方法技术

本发明专利技术涉及一种适用于Mg3Sb2‑

【技术实现步骤摘要】
一种适用于Mg3Sb2‑
Mg3Bi2基热电材料的阻挡层及其使用方法


[0001]本专利技术属于热电器件领域，特别涉及一种适用于Mg3Sb2‑
Mg3Bi2基热电材料的阻挡层及其使用方法。

技术介绍

[0002]热电器件的最大转换效率与器件两端的温度及热电材料的平均ZT值有关，其计算公式为：
[0003][0004]实际制备器件过程中，除了考虑材料性能，即平均ZT值之外，还需要考虑器件的拓扑结构设计以及电极和材料之间的连接界面。界面电阻会对最终器件的转换效率造成很大影响。一般来说，常用的金属电极，如Cu、Ni，会在高温下与热电材料发生反应，从而导致接头附近产生较大的界面电阻，并恶化了界面附近材料的热电性能。因此，需要在电极和热电材料之间加入额外的阻挡层防止材料和电极之间的相互扩散，从而保证材料化学组成的稳定，并降低界面损耗。
[0005]Mg3Sb2基热电材料具有反La2O3的六方结构，它由在c轴方向上堆叠的阴离子[Mg2Sb2]2‑
层和阳离子Mg
2+
层组成。N型Mg3Sb2基热电材料由于具有能谷数为6，因此具有良好的电学性能。其本征热导率也很低，保证了其优异的热电性能。同时Mg3Sb2组成元素无毒且含量丰富、成本低廉，被认为是最有望获得大规模应用的热电材料之一。
[0006]近年来针对Mg3Sb2‑
Mg3Bi2固溶体基热电材料的研究使得该体系的热电性能和稳定性有了明显提升。Chen等人通过Mn和Te共掺杂，在Mg
3.15/>Mn
0.05
Sb
1.5
Bi
0.49
Te
0.01
中获得了最大ZT为1.85(723K)和平均ZT值为1.25(300
‑
723K)的极高热电性能(Chen,X.et al.Extraordinary thermoelectric performance in n
‑
type manganese doped Mg3Sb
2 Zintl:High band degeneracy,tuned carrier scattering mechanism and hierarchical microstructure.Nano Energy,2018,52,246
–
255)；Shi等人将Y掺杂到n型Mg3SbBi材料中，不仅获得了接近1.8的最大ZT，还获得了较好的高温稳定性，该材料在750K下工作75h后，性能几乎不衰减(Shi,X.et al.Extraordinary n
‑
type Mg3SbBi thermoelectrics enabled by Yttrium doping.Adv.Mater.2019,31,1903387)。
[0007]然而，目前针对Mg3Sb2‑
Mg3Bi2基热电材料的器件研究相对匮乏，尤其是面向中温(500
‑
800K)发电应用的器件以及相应的阻挡层材料鲜有报道。Mao等人首先提出Fe和Ni可以作为Mg
3.2
Bi
1.498
Sb
0.5
Te
0.002
的扩散阻挡层，并制备出了热电单偶，且对其室温附近的热电制冷性能进行了表征(Mao,J.et al.High thermoelectric cooling performance of n
‑
type Mg3Bi2‑
based materials.Science.2019,365,495
–
498)。此后，大部分Mg3Sb2‑
Mg3Bi2基热电器件都选择Fe作为阻挡层材料。同济大学裴艳中教授领导的团队利用Fe作为Mg
3.05
Y
0.015
SbBi的阻挡层，发现经过600K老化240h后，其界面电阻由14μΩcm2提升到了30μ
Ωcm2(Bu,Z.et al.An over 10％module efficiency obtained using non
‑
Bi2Te
3 thermoelectric materials for recovering heat of<600K.Energy Environ.Sci.2021,14,6506
–
6513)。此外，由于此研究中界面热老化温度低于中温区热电器件的工作温度(～800K)，尚不能反映出Fe阻挡层用在Mg3Sb2‑
Mg3Bi2基材料中温发电的情况。哈尔滨工业大的张倩教授的研究团队针对Fe阻挡层进行了深入研究和优化，最终发现304不锈钢可实现更低的界面电阻(5.36μΩcm2)、更好的力学性能(剪切强度35.74MPa)和更好的服役稳定性(400h老化后界面电阻11.64μΩcm2)。但是其阻挡层热老化实验温度更低，仅为523K，同样无法满足Mg3Sb2‑
Mg3Bi2基热电材料在中温区应用的需求(Yin,L.et al.Reliable N
‑
type Mg
3.2
Sb
1.5
Bi
0.49
Te
0.01
/304stainless steel junction for thermoelectric applications.Acta Mater.2020,198,25
–
34)。因此，基于Mg3Sb2‑
Mg3Bi2基热电材料的中温发电器件仍缺乏合适的阻挡层材料。

技术实现思路

[0008]本专利技术所要解决的技术问题是提供一种适用于Mg3Sb2‑
Mg3Bi2基热电材料的阻挡层及其使用方法，采用所述的阻挡层材料使得Mg3Sb2‑
Mg3Bi2基热电接头具有较低的界面电阻，以及良好的高温稳定性，阻挡层材料在高温下对基体材料几乎呈现化学惰性，使Mg3Sb2‑
Mg3Bi2基热电材料的中温发电应用得以实现，并能有效提高其热电器件的可靠性和服役寿命。
[0009]本专利技术提供了一种适用于Mg3Sb2‑
Mg3Bi2基热电材料的阻挡层，所述阻挡层为金属铌或其合金。
[0010]所述阻挡层为铌粉、铌箔以及通过蒸镀或电镀方式沉积得到的铌基金属层。
[0011]所述阻挡层厚度为0.1微米
‑
2毫米。优选为30微米～0.1毫米。阻挡层厚度和其与热电材料基体的热膨胀系数差距相关，差距越大，界面处产生的应力也越大，相应地需要通过减小阻挡层厚度改善应力问题。Mg3Sb2‑
Mg3Bi2固溶体的热膨胀系数较高，而金属铌的热膨胀系数较低，因此其厚度应小于0.1毫米。通过其他元素合金化提高其热膨胀系数，可增加厚度，但也不宜过厚(大于2毫米)，以防界面处开裂。
[0012]所述热电材料为基于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于Mg3Sb2‑
Mg3Bi2基热电材料的阻挡层，其特征在于：所述阻挡层为金属铌或其合金。2.根据权利要求1所述的阻挡层，其特征在于：所述阻挡层为铌粉、铌箔以及通过蒸镀或电镀方式沉积得到的铌基金属层。3.根据权利要求1所述的阻挡层，其特征在于：所述阻挡层厚度为0.1微米
‑
2毫米。4.根据权利要求1所述的阻挡层，其特征在于：所述热电材料为基于Mg3Sb2‑
Mg3Bi2固溶体的化合物。5.根据权利要求1所述的阻挡层，其特征在于：所述Mg3Sb2‑
Mg3Bi2固溶体采用真空熔炼或球磨的方法合成粉体，并结合烧结技术制备成块体或利用粉体原料通过一步烧结得到块体。6.一种适用于Mg3Sb2‑
Mg3Bi2基热电材料的阻挡层的使用方法，包括：(1)按照Mg3Sb2‑
Mg3Bi2固溶体的化学计量比称量相应原料，并放入球磨罐中球磨，得到Mg3Sb2‑
Mg3Bi2...

【专利技术属性】
技术研发人员：傅赟天，张骐昊，胡忠良，王连军，江莞，
申请(专利权)人：东华大学，
类型：发明
国别省市：