一种提高Mg3Sb2基热电材料功率因子的方法技术

本发明专利技术属于新能源材料制备领域，具体涉及一种提高Mg3Sb2基热电材料功率因子的方法，按Mg

【技术实现步骤摘要】
一种提高Mg3Sb2基热电材料功率因子的方法


[0001]本专利技术属于新能源材料制备领域，具体涉及Mg3Sb2基热电材料的制备，特别涉及一种提高Mg3Sb2基热电材料功率因子的方法。

技术介绍

[0002]能源是推动人类社会发展的根本动力，当前形势下，化石能源短缺，环境污染加剧，新能源新材料的研究和开发迫在眉睫，在此背景下，新型热电技术能够实现热能与电能的直接转化，在全球可持续能源领域中发挥着重要作用。热电材料是一种利用固体中载流子（电子和空穴）运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料。热电效应主要包括Seebeck效应和 Peltier 效应。Seebeck效应主要应用于温差发电，而Peltier效应主要应用于热电致冷。
[0003]衡量材料热电性能的优越指标热电优值：其中，α、σ、κ、T分别为Seebeck系数、电导率、热导率和绝对温度，为热电材料的功率因子。提高热电材料的热电优值的方法可分为两种：通过元素掺杂、固溶其他元素等方法提高材料的载流子浓度，调节能带结构以及能带态密度，改善载流子迁移率，从而提高Seebeck系数和电导率，改善电传输性能；通过引入纳米结构、元素掺杂和固溶等方法，增强声子散射，降低晶格热导率，从而改善热传输性能。本专利技术主要致力于改善热电材料的电传输性能。
[0004]Mg3Sb2基化合物分为p型传导和n型传导，本征Mg3Sb2化合物为p型传导。2016年，TAMAKI等人通过添加过量Mg并结合Te掺杂，得到Mg3Sb
1.5
Bi
0.49r/>Te
0.01
，首次实现了Mg3Sb2基材料的n型传输，对于p型Mg3Sb2基半导体而言，n型具有更优的热电性能。由于Mg3Sb2基材料具有较低的介电常数，其晶界处会产生较高的势垒，载流子晶界散射在该材料内体现地非常明显，使得该材料的电导率在室温附近处在较低的水平。本专利技术主要在此材料基础上，通过高温高压烧结，去研究多晶织构化对n型Mg3Sb
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Bi
0.49
Te
0.01
热电材料电导率各向异性的影响，以期进一步提高其室温电导率。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了改善热电材料的电传输性能，提供了一种提高Mg3Sb2基热电材料功率因子的方法。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种提高Mg3Sb2基热电材料功率因子的方法，包括如下步骤：1）按Mg
3(1+0.08)
Sb
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Bi
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Te
0.01
各原子化学计量比进行称量Mg粉、Sb粉、Bi粉和Te粉，混合均匀，将混合均匀的粉末进行球磨；2）将步骤1）所得粉末在保护气氛或真空环境下用放电等离子体烧结法进行烧结
制样，得到单相Mg
3.24
Sb
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Te
0.01
化合物；3）将步骤2）所得样品用线切割机延∥P和
⊥
P进行切割，获得织构化Mg3Sb2基热电材料。
[0007]作为本专利技术所述方法技术方案的进一步改进，所述放电等离子体烧结法的烧结条件为：在923K或1073K的温度下，50 MPa的压力保温15min；之后随炉冷却。
[0008]作为本专利技术所述方法技术方案的进一步改进，所述球磨的工艺参数为：球磨机正转20 min、间歇10 min以及反转20 min，球磨转速为350 r/min，球料比30：1，实际球磨总时间为30 h。
[0009]作为本专利技术所述方法技术方案的进一步改进，在进行球磨前，将Sb粉和Bi粉研磨成粉体后再与Mg粉和Te粉进行混合均匀。
[0010]作为本专利技术所述方法技术方案的进一步改进，所述Mg粉、Sb粉、Bi粉和Te粉的质量纯度均≧99.9%。
[0011]作为本专利技术所述方法技术方案的进一步改进，所述放电等离子体烧结法工序中的粉末放置于石墨模具中进行的。
[0012]本专利技术在制备织构化的Mg
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Sb
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Te
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热电材料时，其电性能可能存在各向异性。其中影响最大的是电导率，塞贝克系数几乎是各向同性，织构化方向热电性能优于其压力方向。基于此原理，本专利技术制备Mg
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Sb
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Bi
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Te
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热电材料时，在高温高压下烧结制样，以提高其功率因子。
[0013]与现有的Mg3Sb2基制备方法相比，本专利技术的优点为：第一， 通过高温高压这种简单的烧结方法，使得
⊥
P的晶粒被压扁长大，其晶粒尺寸大于∥P，故其电导率远大于∥P，进而提高功率因子。
[0014]第二， 可以去改变烧结工艺，然后进一步增加材料的晶粒大小从而提高功率因子。
[0015]第三， 本专利技术可以通过塑性变形（如热压缩，挤压和拉伸等）从而达到更大程度织构化，为研究其对热电性能的影响奠定基础。本专利技术提出采用烧结制备织构提高电性能的方法，为今后优化类似热电材料的功率因子打下良好的基础。
[0016]第四，本专利技术主要采用Mg粉、Sb粉和Bi粉，价格低廉。
附图说明
[0017]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0018]图1为实施例中步骤2）Mg
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Sb
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Bi
0.49
Te
0.01
在923K和1073K烧结结后粉末的XRD图。从图1可以看出，样品的XRD图谱于标准卡片一致，表明样品在XRD检测极限范围内为单相Mg
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Sb
1.5
Bi
0.49
Te
0.01
热电材料。
[0019]图2为实施例步骤4）为热电材料在923K和1073K温度下烧结∥P和
⊥
P的电导率、Seebeck系数和功率因子随温度变化示意图。
[0020]如图2(a)所示，在550 K以下，电导率发生了显著变化。550K以下，试样的电导率表
现出明显的各向异性，n型Mg3Sb2基热电性能对制备工艺非常敏感。对于923K烧结的样品：较于∥P的样品，
⊥
P表现出更高的电导率，在550K以下、∥P的样品主要受晶界散射影响，而对于
⊥
P的样品是在500K以下，对于晶界散射载流子迁移率与温度正相关，电导率随温度的增加而增加；在550K以上，主要受声学声子散射影响，载流子迁移率与温度的关系为μ<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提高Mg3Sb2基热电材料功率因子的方法，其特征在于，包括如下步骤：1）按Mg
3(1+0.08)
Sb
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Te
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各原子化学计量比进行称量Mg粉、Sb粉、Bi粉和Te粉，混合均匀，将混合均匀的粉末进行球磨；2）将步骤1）所得粉末在保护气氛或真空环境下用放电等离子体烧结法进行烧结制样，得到单相Mg
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Sb
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Te
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化合物；3）将步骤2）所得样品用线切割机延∥P和
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P进行切割，获得织构化Mg3Sb2基热电材料。2.根据权利要求1所述的一种提高Mg3Sb2基热电材料功率因子的方法，其特征在于，所述放电...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，胡良禄，王利飞，樊建锋，陈少平，樊文浩，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：