一种N型碲化铋基热电材料热挤压方法技术

本发明专利技术提供了一种N型碲化铋基热电材料热挤压方法，包括以下步骤：以Bi单质块体、Te单质块体和Se单质块体为原料，按照一定化学计量比称量；将称量好的原料装入石英管并真空密封；将所述石英管放入摇摆炉内进行高温熔炼后保温，保温结束时将摇摆炉炉体旋转至竖直位置，随炉冷却至室温；从石英管取出得到的铸锭；将得到的铸锭置于区熔炉中进行熔炼得到区熔铸锭；将所述区熔铸锭沿横截面切割成段获得段状区熔铸锭，在真空环境下进行热挤压。本发明专利技术省去了球磨制粉工序，这既解决因类施主效应导致电子浓度偏高的问题，又缩短了生产周期，提高了生产效率。了生产效率。了生产效率。

【技术实现步骤摘要】
一种N型碲化铋基热电材料热挤压方法


[0001]本专利技术属于热电材料
，尤其是涉及一种N型碲化铋基热电材料热挤压方法。

技术介绍

[0002]热电材料是一种通过塞贝克效应和帕尔贴效应来实现温差发电和通电致冷的功能材料，由其制备的热电器件具有体积小、无震动、无噪声、重量轻、寿命长、控温精准等诸多特点，因此被广泛应用于军工航天、光纤通信、工业设备和消费电子等领域。热电材料的热电性能通常用无量纲的热电优值ZT来表征：ZT=S2σT/κ，其中S、σ、T和κ分别为塞贝克系数、电导率、绝对温度和热导率，ZT值越高则材料的热电性能越好。
[0003]在现有的热电材料体系中，Bi2Te3基合金是商用最为成熟也是室温下性能最好的热电材料。目前Bi2Te3基热电材料的制备主要有以下几种方法：区域熔炼法、布里奇曼法、粉末烧结法和热挤压法。工业上常采用的区域熔炼法可制备出晶粒取向性强的区熔铸锭，但材料晶粒尺寸粗大，尤其是层间的Te(1)
‑
Te(1)以范德华键相结合，使层状的Bi2Te3基材料在进行加工过程中容易沿（0001）面发生解理破碎，导致Bi2Te3基材料的机械性能较差，无法满足微型致冷器件Micro TEC粒子的切割要求。采用粉末烧结法制备的Bi2Te3基热电材料虽然提高了材料的机械性能，但减弱了晶粒的取向性，使材料的热电性能有所下降，该情况在N型Bi2Te3基材料中表现更明显。
[0004]区别于区域熔炼法和粉末烧结法，热挤压法是一种将合金材料加热至再结晶温度以上，通过施加较大的外力将材料从较小模孔的缩颈模具中挤出的热加工工艺，此工艺不仅能通过缩颈变形产生的形变强化来提高N型Bi2Te3基材料的机械性能，也能在挤压缩颈过程中对材料施加较大的剪切力，形成强烈的丝织构组织，同时诱导动态再结晶细化晶粒，提高材料内部晶粒的取向性，增强热电性能。此外，热挤压法能批量生产公斤级的高性能热电材料，经济效益巨大，适合于工业级量产。
[0005]当前制备N型Bi2Te3基热电材料的热挤压法多为将高温熔炼法、区域熔炼法等获得的铸锭球磨成粉，再将得到的粉末材料装入模具中热挤压成块体。通过调节掺杂量、控制球磨时间、挤压温度等优化材料的热电性能，但是由于N型Bi2Te3基热电材料是电子导电，在球磨制粉工序中，剧烈的机械变形很容易引发强类施主效应，使N型Bi2Te3基热电材料产生大量的电子，导致材料的塞贝克系数减小、电导率增大，偏离最优热电性能区间，因此降低机械破碎的强度或者省去球磨制粉工序，可避免材料的电子浓度偏高。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种N型碲化铋基热电材料热挤压方法，该方法省去球磨制粉工序，既解决电子浓度偏高问题，又缩短生产周期，所制备的Bi2Te3基材料同时具有优异的热电性能和机械性能。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种N型碲化铋基热电材料热挤压方
法，包括以下步骤：（1）以Bi单质块体、Te单质块体和Se单质块体为原料，按照一定化学计量比称量；（2）将称量好的原料装入石英管并真空密封；（3）将所述石英管放入摇摆炉内进行高温熔炼后保温，保温结束时将摇摆炉炉体旋转至竖直位置，随炉冷却至室温；从石英管取出得到的铸锭；（4）将得到的铸锭置于区熔炉中进行熔炼得到区熔铸锭；（5）将所述区熔铸锭沿横截面切割成段获得段状区熔铸锭，将段状区熔铸锭装入挤压模具后置于热挤压机内，在真空环境下进行热挤压，即得N型碲化铋基热电材料。
[0008]优选地，所述步骤（1）中，Bi单质块体、Te单质块体和Se单质块体的纯度分别为99.99%。
[0009]优选地，所述步骤（1）中，所述化学计量比为Bi2Te3‑
x
Se
x ，其中，0.2≤x≤0.4。
[0010]优选地，所述步骤（3）中，所述石英管在摇摆炉内的熔炼温度为700
‑
900℃，熔炼时间为1
‑
4h。
[0011]优选地，所述步骤（4）中，所述铸锭在区熔炉内的熔炼温度为600
‑
900℃，温度梯度为20
‑
40℃/cm，生长速率为20
‑
30mm/h；优选地，所述步骤（5）中，所述将区熔铸锭沿横截面切割成段为采用金刚石线切割机进行切割，切割后的段状区熔铸锭为相同长度的柱体。
[0012]优选地，所述步骤（5）中热挤压条件为：挤压比10:1
‑
25:1，挤压温度400
‑
500℃，挤压速率0.5
‑
3mm/min。
[0013]本专利技术的有益效果是：本专利技术直接将区熔法制备的铸锭进行热挤压，省去了球磨制粉工序，避免材料因机械变形产生强类施主效应而导致电子浓度偏高的问题，同时大大缩短了材料的生产周期，提高了生产效率，所制备的Bi2Te3基材料兼具优异的热电性能和机械性能，满足微型致冷器件Micro TEC的制备需求。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1为本专利技术方法的流程图。
[0016]图2为实施例1、2、3及对比例1制备的N型碲化铋基热电材料的热电性能对比图；其中,（a）为实施例1、2、3及对比例1制备的N型碲化铋基热电材料的塞贝克系数性能对比图；（b）为实施例1、2、3及对比例1制备的N型碲化铋基热电材料的塞贝克系数性能对比图；（c）为实施例1、2、3及对比例1制备的N型碲化铋基热电材料的塞贝克系数性能对比图；d为实施例1、2、3及对比例1制备的N型碲化铋基热电材料的塞贝克系数性能对比图图3为实施例3制备的N型碲化铋基热电材料的粒子切割图。
实施方式
[0017]现详细说明本专利技术的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本专利技术的限
制，而应理解为是对本专利技术的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
[0018]应理解本专利技术中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本专利技术。另外，对于本专利技术中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本专利技术内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
[0019]除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本专利技术所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本专利技术仅描述了优选的方法和材料，但是在本专利技术的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
[0020本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种N型碲化铋基热电材料热挤压方法，其特征在于包括以下步骤：（1）以Bi单质块体、Te单质块体和Se单质块体为原料，按照一定化学计量比称量；（2）将称量好的原料装入石英管并真空密封；（3）将所述石英管放入摇摆炉内进行高温熔炼后保温，保温结束时将摇摆炉炉体旋转至竖直位置，随炉冷却至室温；从石英管取出得到的铸锭；（4）将得到的铸锭置于区熔炉中进行熔炼得到区熔铸锭；（5）将所述区熔铸锭沿横截面切割成段获得段状区熔铸锭，将段状区熔铸锭装入挤压模具后置于热挤压机内，在真空环境下进行热挤压，即得N型碲化铋基热电材料。2.根据权利要求1所述的一种N型碲化铋基热电材料热挤压方法，其特征在于，所述步骤（1）中，Bi单质块体、Te单质块体和Se单质块体的纯度分别为99.99%。3.根据权利要求1所述的一种N型碲化铋基热电材料热挤压方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述化学计量比为Bi2Te3‑
x
Se
x ，其中，0.2≤x≤0.4。4.根据权利要求1所述的一种N型碲化铋基热电材料热...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘峰铭，蔡博文，赵世原，
申请(专利权)人：广西自贸区见炬科技有限公司，
类型：发明
国别省市：