一种n型碲化铋基材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种n型碲化铋基材料及其制备方法，制备方法包括以下步骤：S1、根据化学组成式配比进行称量Bi、In、Te、Se单质，真空密封后，进行摇摆熔融，然后快速冷却至室温，得到化学式为Bi2‑

【技术实现步骤摘要】
一种n型碲化铋基材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及热电材料
，尤其涉及一种n型碲化铋基材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]热电(TE)能源转换被认为是最有前途的环保技术之一，以缓解全球化石燃料短缺的担忧，因为TE设备具有无移动部件、维护成本低和可运输性良好的优点。提高TE材料的转化效率仍然是目前TE研究领域面临的最大挑战。无量纲热电优值——ZT是结合了材料塞贝克系数、热导率、电导率和温度的综合性能指标，一般用于衡量材料的整体热电性能，ZT越高，材料热电性能越好，热电转换效率也越高。
[0003]碲化铋(Bi2Te3)基合金作为最著名的热电材料，自上世纪中叶以来便得到了广泛的研究。目前，采用区域熔化(ZM)工艺作为Bi2Te3基合金的商业制备方法，如ZM衍生的n型Bi2Te3‑
y
Se
y
锭，平面内ZT值接近1.0然而，商业ZM锭的脆性以及其高取向的颗粒容易解离，这使得器件制造过程更加困难，收率低，因此更昂贵。此外，ZM铸锭的晶格热导率(κ
lat
)也高于纳米结构样品，这阻碍了其ZT的进一步增强。
[0004]近些年来，粉末冶金方法如热压(HP)和火花等离子烧结(SPS)已经成为研究Bi2Te3合金的主要方法，因为粉末冶金制得的样品通常表现较低的κ
lat
和更强的机械性能，可以提高ZT值，减少制造过程中的切割损伤。
[0005]在热电性能方面，n型碲化铋基(BiTeSe)材料的zT值普遍低于p型，p型Bi2Te3基材料的ZT值在1.0～1.3左右，但n型Bi2Te3基材料的则ZT值很少高于1.0，由于热电模块由n型和p型热电元件共同作用，n型性能的短板也决定了热电转换效率难以提升，严重制约了热电模块的实际应用。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题在于，针对现有技术的缺陷，提供一种n型碲化铋基材料及其制备方法。
[0007]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种n型碲化铋基材料的制备方法，包括以下步骤：
[0008]S1、根据化学组成式配比进行称量Bi、In、Te、Se单质，真空密封后，进行摇摆熔融，然后快速冷却至室温，得到化学式为Bi2‑
x
In
x
Te
2.7
‑
y
Se
0.3
块状材料，其中，0＜x≤0.10、0≤y≤0.05；
[0009]S2、对块状材料进行行星球磨，得到粉体材料；
[0010]S3、对粉体材料进行烧结，得到n型碲化铋基烧结块体；
[0011]S4、将n型碲化铋基烧结块体重复S2
‑
S3步骤，重复2
‑
4次，得到多次热锻后的高机械性能的n型碲化铋基材料。
[0012]进一步地，优选在S1步骤中，真空度为小于2
×
10
‑5Pa，熔炼处理温度为750～950℃，摇摆时间为60～240min。
[0013]进一步地，优选在S1步骤中，快速冷却条件为液氮冷却或冰水淬火。
[0014]进一步地，优选在S2步骤中，得到的所述粉体材料的粒径10
‑
50nm。
[0015]进一步地，优选在S2步骤中，球料比为(15～25)：1，球磨时间为5～10h，转速为400～600rpm。
[0016]进一步地，优选在S3步骤中，使真空度为低于10Pa，然后逐渐升温至450
‑
550℃，接着逐渐增加压力至50～100Mpa，在达到成型压力时，保温保压15～60min。
[0017]本专利技术还提供一种n型碲化铋基材料，所述n型碲化铋基材料的化学式为Bi2‑
x
In
x
Te
2.7
‑
y
Se
0.3
，其中，0＜x≤0.10、0≤y≤0.05。
[0018]进一步地，优选所述n型碲化铋基材料的化学式为Bi
1.9
In
0.1
Te
2.65
Se
0.3
。
[0019]进一步地，优选所述n型碲化铋基材料的化学式为Bi
1.9
In
0.1
Te
2.7 Se
0.3
。
[0020]进一步地，优选所述n型碲化铋基材料的化学式为Bi
1.95
In
0.05
Te
2.68
Se
0.3
。
[0021]本专利技术的有益效果：本专利技术提供的一种n型碲化铋基材料的制备方法，对碲化铋合金成分的设计和球磨、热压工艺，成功地提高了n型碲化铋基合金的热电性能；采用单质In对碲化铋基材料进行掺杂，In对Bi的取代能够增加点缺陷，提高电导率；其次使得Te+Se≤3，也是影响点缺陷进而提升电导率；此外，以上两种机制作用下，晶格热导率也因材料内部增加的缺陷而降低，整体的ZT由此得到提高；In掺杂和略低的Te配比能够调节载流子浓度，增加材料内部点位缺陷进而优化热导率。
[0022]本专利技术的n型碲化铋基材料相比现有的n型碲化铋基材料相比，ZT值有了明显提升，ZT值能达到1.07～1.15；电导率也有了明显的提升，电导率可达925～1116S/cm；热导率明显降低，热导率为1.220～1.318Wm
‑1K
‑1；本专利技术制备时n型碲化铋基材料经过多次热锻，多次热锻可明显增强材料内部的织构效应、细化晶粒(挤压过程中动态再结晶的作用，材料内部产生大量位错，晶粒得到显著细化)，多次热锻扰乱晶粒的择优取向，细化晶粒，导致材料的硬度大大提高，达到优化材料热电性能和力学性能的目的。
附图说明
[0023]下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中：
[0024]图1是本专利技术的实施例1
‑
3以及对比例1
‑
5的维氏硬度的检测数据图；
[0025]图2是本专利技术的实施例1
‑
3以及对比例1
‑
5的电导率的检测数据图；
[0026]图3是本专利技术的实施例1
‑
3以及对比例1
‑
5的热导率的检测数据图；
[0027]图4是本专利技术的实施例1
‑
3以及对比例1
‑
5的热电优值的检测数据图。
具体实施方式
[0028]为使本专利技术的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本专利技术进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0029]在本说明书一个或多个实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本说明书一个或多个实施例。在本说明书一个或多个实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种n型碲化铋基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、根据化学组成式配比进行称量Bi、In、Te、Se单质，真空密封后，进行摇摆熔融，然后快速冷却至室温，得到化学式为Bi2‑
x
In
x
Te
2.7
‑
y
Se
0.3
块状材料，其中，0＜x≤0.10、0≤y≤0.05；S2、对块状材料进行行星球磨，得到粉体材料；S3、对粉体材料进行烧结，得到n型碲化铋基烧结块体；S4、将n型碲化铋基烧结块体重复S2
‑
S3步骤，重复2
‑
4次，得到多次热锻后的n型碲化铋基材料。2.根据权利要求1所述的n型碲化铋基材料的制备方法，其特征在于，在S1步骤中，真空度为小于2
×
10
‑5Pa，熔炼处理温度为750～950℃，摇摆时间为60～240min。3.根据权利要求1所述的n型碲化铋基材料的制备方法，其特征在于，在S1步骤中，快速冷却为液氮冷却或冰水淬火。4.根据权利要求1所述的n型碲化铋基材料的制备方法，其特征在于，在S2步骤中，得到的所述粉体材料的粒径10
‑
50nm。5.根据权利要求4所述的n型碲化铋基材料的制备方法，其特征在于，在S2步骤中，球料比为(15～25)：1，球磨时间为5～10h，转速为400～60...

【专利技术属性】
技术研发人员：何著臣，施翊璇，汤弢，
申请(专利权)人：纯钧新材料深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：