一种涡旋-条状晶粒结构的高性能填充方钴矿热电材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及新能源材料技术领域，具体涉及一种涡旋

【技术实现步骤摘要】
一种涡旋
‑
条状晶粒结构的高性能填充方钴矿热电材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及新能源材料
，具体涉及一种涡旋
‑
条状晶粒结构的高性能填充方钴矿热电材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]热电材料是一种可以实现热能和电能直接转换的新能源材料，在工业余热和汽车尾气回收利用、下一代集成电路高效制冷和全光谱太阳能发电等领域具有重要和广泛的应用。热电材料的性能由无量纲优值ZT(ZT＝σα2T/κ)综合表征，决定于Seebeck系数(α)、电导率(σ)和热导率(κ)，T为绝对温度。好的热电材料要具有高的电导率和Seebeck系数以及较低的热导率。根据热电材料的适用温度，人们将热电材料分为以Bi2Te3为代表的低温热电材料、以方钴矿为代表的中温热电材料和以SiGe为代表的高温热电材料。在这些热电材料体系中，方钴矿由于其优异的电输运性能而被公认为中温区最具应用前景的热电材料。上世纪50年代，就有研究者对方钴矿及其合金的性能以及在热电领域的应用进行了详细且系统的研究。他们研究发现二元方钴矿的电性能较好，但热导率较高，导致ZT值很低。由于方钴矿独特的二十面体空隙晶体结构，学者们提出了在其空隙中引入其他原子形成填充式方钴矿化合物，填充原子较小的离子半径以及其与邻近原子的结合较弱能够在晶格中产生局域扰动强烈共振散射声子，导致晶格热导率显著降低；其次，引入的填充原子能够调节和优化载流子特性进而优化电性能。因而，填充方钴矿具有较好的综合热电性能。
[0003]近20年来，n型填充方钴矿材料通过优化填充分数、填充原子种类、纳米复合以及先进制备技术等手段使得其热电性能得到大幅提升，ZT值已达到1.8左右。然而，填充方钴矿的热导率相比其它热电材料体系(如Bi2Te3基)的热导率仍较高。Bi2Te3基热电材料之所以具有较低的热导率和它的层状晶体结构有关。因此，能否制备出特殊微结构的填充方钴矿材料也是获得较低热导率的途径之一。已有的方钴矿热电材料的文献报道和授权专利中，制备的块体材料的微观结构都是具有规则颗粒状的晶粒，而具有涡旋
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条状晶粒形貌的方钴矿热电材料却鲜有报道。
[0004]鉴于上述缺陷，本专利技术创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本专利技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决如何制备得到特殊微结构、具有较低热导率的填充方钴矿材料的问题，提供了一种涡旋
‑
条状晶粒结构的高性能填充方钴矿热电材料及其制备方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术公开了一种涡旋
‑
条状晶粒结构的高性能填充方钴矿热电材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1，采用Ba片、In粉、Co粉和Sb粉为初始原料，按化学计量比Ba
0.3
In
0.3
Co4Sb
12
称量后混合均匀；
[0008]S2，将步骤S1中混合好的混合物置于干净的石墨坩埚中，在真空条件下将石墨坩
埚密封于石英管中；
[0009]S3，将步骤S2中得到密封石英管置于高温炉中，缓慢升温至淬火温度，真空熔融后玻璃管底部依次匀速浸入饱和食盐水中淬火；
[0010]S4，将步骤S3中得到淬火铸锭研磨后再次密封入石英管中，尔后放入高温炉中退火，将得到的退火样品手工研磨，得到退火粉末；
[0011]S5，将步骤S4得到的退火粉末采用放电等离子体烧结法于真空下烧结得到Ba
0.3
In
0.3
Co4Sb
12
填充方钴矿块体热电材料；
[0012]所述步骤S4中退火温度为670～680℃，时间为120～168h；
[0013]所述步骤S5中烧结温度为640～650℃，烧结压力为50～60MPa，烧结时间为5～10min。
[0014]所述步骤S1中金属Ba片、In粉、Co粉和Sb粉纯度分别为99.9％、99.99％、99.5％和99.999％。
[0015]所述步骤S2中真空条件为真空度小于0.1MPa。
[0016]所述步骤S3中淬火温度为1000℃。
[0017]所述步骤S3中熔融时间为20～24h。
[0018]所述步骤S4中退火温度为675℃。
[0019]所述步骤S5中烧结温度为650℃。
[0020]本专利技术还公开了一种采用上述制备方法制得的条状晶粒结构的高性能填充方钴矿热电材料。
[0021]与现有技术比较本专利技术的有益效果在于：
[0022]1、本专利技术通过高纯Ba片作为初始原料，采用熔融淬火
‑
退火结合SPS烧结工艺制备出了具有涡旋
‑
条状晶粒结构的高性能填充方钴矿热电材料，该填充方钴矿热电材料烧结致密度良好；
[0023]2、本专利技术制得的填充方钴矿热电材料具有涡旋
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条状晶粒和孔结构，这些涡旋
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条状晶粒和孔结构可以显著抑制声子输运，显著降低材料的热导率，同时这些涡旋
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条状晶粒又可以为电子输运提供通道，使得材料保持较高的电输运性能；
[0024]3、本专利技术制得的填充方钴矿热电材料(Ba
0.3
In
0.3
Co4Sb
12
)具有较低的热导率和具有较高的ZT值(接近1.5)，该ZT值高于现有的相同化学组分的填充方钴矿热电材料。
附图说明
[0025]图1为本专利技术实施例1制备的填充方钴矿热电材料的XRD图；
[0026]图2为本专利技术实施例1制备的填充方钴矿热电材料的FESEM图；
[0027]图3为本专利技术实施例1制备的填充方钴矿热电材料的电导率；
[0028]图4为本专利技术实施例1制备的填充方钴矿热电材料的热导率；
[0029]图5为本专利技术实施例1制备的填充方钴矿热电材料的ZT值；
[0030]图6为本专利技术实施例2制备的填充方钴矿热电材料的XRD图；
[0031]图7为本专利技术实施例2制备的填充方钴矿热电材料的FESEM图；
[0032]图8为本专利技术实施例2制备的填充方钴矿热电材料的电导率；
[0033]图9为本专利技术实施例2制备的填充方钴矿热电材料的热导率；
[0034]图10为本专利技术实施例2制备的填充方钴矿热电材料的ZT值；
[0035]图11为实施例3制备的填充方钴矿热电材料的FESEM图；
[0036]图12为实施例4制备的填充方钴矿热电材料的FESEM图；
[0037]图13(a)为本专利技术实施例3和4制备的填充方钴矿热电材料的功率因子，(b)为本专利技术实施例3和4制备的填充方钴矿热电材料的热导率，(c)为本专利技术实施例3和4制备的填充方钴矿热电材料的ZT值。
具体实施方式
[0038]以下结合附图，对本专利技术上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种涡旋
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条状晶粒结构的高性能填充方钴矿热电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1，采用Ba片、In粉、Co粉和Sb粉为初始原料，按化学计量比Ba
0.3
In
0.3
Co4Sb
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称量后混合均匀；S2，将步骤S1中混合好的混合物置于干净的石墨坩埚中，在真空条件下将石墨坩埚密封于石英管中；S3，将步骤S2中得到密封石英管置于高温炉中，缓慢升温至淬火温度，真空熔融后将石英管底部依次匀速浸入饱和食盐水中淬火；S4，将步骤S3中得到淬火铸锭研磨后再次密封入石英管中，尔后放入高温炉中退火，将得到的退火样品手工研磨，得到退火粉末；S5，将步骤S4得到的退火粉末采用放电等离子体烧结法于真空下烧结得到Ba
0.3
In
0.3
Co4Sb
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填充方钴矿块体热电材料；所述步骤S4中退火温度为670～680℃，时间为120～168h；所述步骤S5中烧结温度为640～650℃，烧结压力为50～60MPa，烧结时间为5～10min。2.如权利要求1所述的一种涡旋
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条...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志愿，杨婷，王永贵，
申请(专利权)人：安徽工业大学，
类型：发明
国别省市：