一步高效合成CoSb3基高性能热电材料的方法技术

本发明专利技术涉及一步高效合成CoSb3基高性能热电材料的方法，属于热电材料及应用领域。通过调控稀土元素Yb的添加含量以调控Co

【技术实现步骤摘要】
一步高效合成CoSb3基高性能热电材料的方法


[0001]本专利技术属于热电材料及应用领域，具体涉及一种一步高效合成CoSb3基热电材料的方法。

技术介绍

[0002]热电材料可以通过塞贝克效应和帕尔贴效应实现热能和电能的直接相互转化，既能够提高能源利用效率也能够提供特殊的供电或制冷需求。在汽车尾气余热利用、工业废热发电、星际探测供电，芯片换热等方面热电材料发挥着不可替代的作用。热电转换效率通常用无量纲ZT值表征，ZT＝(α2σT)/k，其中α为Seebeck系数、σ为电导率、k为热导率、T为绝对温度、PF＝α2σ为功率因数。
[0003]根据应用的温度区间可以把热电材料分为室温热电材料，中温热电材料和高温热电材料。其中室温热电材料主要利用人体的体温和环境温度的差异进行热电转换，可以进行人体健康检测以及驱动一些电子元件，例如电子手表。而中温热电材料主要面向工业废热的二次利用以及汽车尾气余热利用，可以很大程度提高能源利用效率。因此中温热电材料具有广阔的应用需求。
[0004]方钴矿基CoSb3作为中温区极具应用潜力的热电材料，由于具有无毒、稳定、性质易于调控等特点备受关注。根据Co
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Sb合金相，合成纯净的单相CoSb3合金具有较大难度。因为，按照Co:Sb的摩尔比为1：3进行配比熔炼时，在凝固过程中分别在936℃发生包晶反应CoSb+L
→
CoSb2，在874℃发生包晶反应CoSb2+L
→
CoSb3。凝固过中两个包晶反应不能完全进行而使得最终样品残留较多的杂相，分别包括CoSb相、CoSb2相和Sb相。这些杂相的存在使得CoSb3材料的热电性能急剧恶化。获得高体积分数的CoSb3相是提升热电性能的基本保证。为了获得高体积分数的CoSb3相，目前常用的制备技术选择避免发生包晶反应的方法。公开发表的“一种固相反应法快速制备CoSb3的方法”专利(CN109604605A[P].2019)中通过Co粉和Sb粉按1：3比例混合
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高能球磨
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压缩成型
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真空烧结的固相反应过程获得了单相方钴矿样品。然而该工艺流程较繁琐且高能球磨过程粉末容易发生氧化。另外，为了避免包晶反应的不完全，同时避免粉末球磨过程的氧化，公开发表的专利“一种高效制备纯净CoSb3基中温热电材料的方法”(CN108754230B[P].2020)则通过选取Co
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Sb亚共晶区间的成分在TGZM效应下获得高纯度的CoSb3材料。这种工艺下所获得样品纯度高，但每次所获得样品的数量较少且要控制稳定的温度梯度，为了保证液相迁移完全需要较长的静态等温处理时间。因此，在高效短流程的工艺下获得纯净的单相CoSb3材料对于CoSb3热电材料的实际应用意义重大。

技术实现思路

[0005]要解决的技术问题
[0006]为了避免现有技术的不足之处，本专利技术提供一种高效合成CoSb3基高性能热电材料的方法。通过凝固工艺控制，添加稀土元素Yb在Co：Sb为1：3配比下促进两次包晶反应完
全发生，以高效获得大量单相热电CoSb3组织，为热电器件的构建提供可靠的材料支持。
[0007]技术方案
[0008]一步高效合成CoSb3基高性能热电材料的方法，其特征在于步骤如下：
[0009]步骤1：成分设计与称量
[0010]依据Co
‑
Sb合金相图，选择Co:Sb原子比为1：3的成分进行稀土Yb元素添加，元素Yb添加量x＝0.1；
[0011]步骤2：装样品与抽真空
[0012]将称量好的样品置入刚玉坩埚并在刚玉坩埚上方加盖；再将刚玉坩埚置入石墨坩埚中；石墨坩埚置入感应加热炉的感应线圈中，石墨坩埚下面垫有耐火砖做成的隔热板；在石墨坩埚与线圈之间套上耐火砖做成的保温套并在石墨坩埚上部边缘插入W
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Ra热电偶监测温度；清理炉室，关闭炉门进行抽真空操作；将炉内真空抽至2.0
×
10
‑3Pa以下，充入高纯氩气进行气氛保护；
[0013]步骤3：合金熔炼
[0014]以20℃/min的升温速率从室温升至1050℃，保温30min后关闭加热系统，样品随炉降温凝固；冷却至室温后取出合金铸锭重复上述步骤进行二次熔炼；重复以上步骤熔炼合金Yb
0.1
Co4Sb 12
；
[0015]步骤4：切割与组织性能表征
[0016]采用电火花下切割对测试样品进行切割，将切割好的样品进行精细打磨处理，使得表面光滑。
[0017]一步高效合成CoSb3基高性能热电材料的方法，其特征在于步骤如下：
[0018]步骤1：成分设计与称量
[0019]依据Co
‑
Sb合金相图，选择Co:Sb原子比为1：3的成分进行稀土Yb元素添加，元素Yb添加量x＝0.2；
[0020]步骤2：装样品与抽真空
[0021]将称量好的样品置入刚玉坩埚并在刚玉坩埚上方加盖；再将刚玉坩埚置入石墨坩埚中；石墨坩埚置入感应加热炉的感应线圈中，石墨坩埚下面垫有耐火砖做成的隔热板；在石墨坩埚与线圈之间套上耐火砖做成的保温套并在石墨坩埚上部边缘插入W
‑
Ra热电偶监测温度；清理炉室，关闭炉门进行抽真空操作；将炉内真空抽至2.0
×
10
‑3Pa以下，充入高纯氩气进行气氛保护；
[0022]步骤3：合金熔炼
[0023]以20℃/min的升温速率从室温升至1050℃，保温30min后关闭加热系统，样品随炉降温凝固；冷却至室温后取出合金铸锭重复上述步骤进行二次熔炼；重复以上步骤熔炼合金Yb
0.2
Co4Sb
12
；
[0024]步骤4：切割与组织性能表征
[0025]采用电火花下切割对测试样品进行切割，将切割好的样品进行精细打磨处理，使得表面光滑。
[0026]有益效果
[0027]本专利技术提供的一步高效合成CoSb3基高性能热电材料的方法，通过调控稀土元素Yb的添加含量以调控Co
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Sb合金在Co:Sb为1：3处直接进行的包晶凝固过程可以反应完全，
是一种高效简捷获得单相CoSb3热电材料的方法。另外，稀土元素Yb除了可以调控包晶凝固过程的相转变过程还可以在后期热电性能测试中提升热电性能，使得稀土Yb全过程发挥作用。该方法简单易行，重复性高，可以批量进行而且性能提升显著。对于热电器件的应用和生产具有重要影响。
附图说明
[0028]附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本专利技术的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
[0029]图1为Co
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Sb合金相图。
[0030]图2(a),(b)和(c)分别为1，2和3号合金的金相组织演变图。从图2(a)可以看出，不掺杂Yb时，既有CoSb相，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一步高效合成CoSb3基高性能热电材料的方法，其特征在于步骤如下：步骤1：成分设计与称量依据Co
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Sb合金相图，选择Co:Sb原子比为1：3的成分进行稀土Yb元素添加，元素Yb添加量x＝0.1；步骤2：装样品与抽真空将称量好的样品置入刚玉坩埚并在刚玉坩埚上方加盖；再将刚玉坩埚置入石墨坩埚中；石墨坩埚置入感应加热炉的感应线圈中，石墨坩埚下面垫有耐火砖做成的隔热板；在石墨坩埚与线圈之间套上耐火砖做成的保温套并在石墨坩埚上部边缘插入W
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Ra热电偶监测温度；清理炉室，关闭炉门进行抽真空操作；将炉内真空抽至2.0
×
10
‑3Pa以下，充入高纯氩气进行气氛保护；步骤3：合金熔炼以20℃/min的升温速率从室温升至1050℃，保温30min后关闭加热系统，样品随炉降温凝固；冷却至室温后取出合金铸锭重复上述步骤进行二次熔炼；重复以上步骤熔炼合金Yb
0.1
Co4Sb 12
；步骤4：切割与组织性能表征采用电火花下切割对测试样品进行切割，将切割好的样品进行精细打磨处理，使得表面光滑。2.一步高效...

【专利技术属性】
技术研发人员：李斗，李双明，朱嘉锡，钟宏，李晓历，
申请(专利权)人：西北工业大学，
类型：发明
国别省市：