【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于新能源材料的制备，特别涉及一种高性能纳米结构笼合物ba8zn8ge38热电材料的制备方法
技术介绍
1、热电材料在可持续节能技术的发展中发挥着关键作用，当前能源需求问题日益严重。随着化石燃料的减少，可再生能源对于解决未来的电力危机至关重要。在这方面，太阳能电池和燃料电池等能量转换技术具有高度相关性，但它们的全球商业化受到效率低、成本高和长期稳定性差等因素的限制。热电设备可利用温差发电方式将热能直接转换为电能，温差发电是利用热电转换材料将热能转化为电能的全静态直接发电方式。理论上，这些热电设备可以使用任何热源，包括太阳能和废热。此外，这些热电设备具有性能可靠、无噪声、无磨损、无泄漏、移动灵活等优点，应用于军事、航天、医学、微电子等领域。
2、笼合物热电材料是一种具有“晶体-声子玻璃”传导特性的热电材料。以i型笼合物为例，其一般通式为(aⅱ＝ba，sr等，bⅲ＝al，ga，in等，bⅳ＝si，ge，sn等)，结构中包含由bⅲ和bⅳ原子构成的两个正六边形、十二个正五边形组成的十四面体和十二个五边形组成的十二面体。十四面体和十二面体内可以填充碱土金属或碱金属等原子，这些原子在多面体“笼子”中作为新的晶格散射中心，对声子产生强烈的散射，从而降低晶格热导率。另一方面，在框架结构上，通过bⅲ-bⅳ原子的sp3杂化以及掺杂，有望大幅度改善和提高电传输特性，因而得到较高的zt值。研究表明，ⅰ型锗基笼合物比其它ⅰ型(如si基、p基、sn基)笼合物具有更好的热电性能。特别是ba8zn8ge38在ⅰ型锗基笼合物中表现出较好的综
3、现有技术中，锗基笼合物多晶化合物热电材料传统的制备方法主要有固态反应法、机械合金化法、电弧熔炼法等。但是以上方法均有各自的缺点。例如，(1)采用固态反应法的制备周期很长，通常需要一周左右，时间成本高、且其热电性能指数一般；(2)采用机械合金化法制备，虽然具有效率高、成本低、产量大等优点，而且能够避免从液相到固相过程中成分偏析的现象，但所得纳米粉体易团聚且尺寸分布不均匀。另外，由于易与磨球粘黏，样料收集较困难，而且由于磨球与样品间的长时间作用容易引入杂质；(2)采用电弧熔炼法制备，具有加热温度均匀、热效率高、制备周期短的优点，经过2～3次电弧熔炼可得到优质铸锭，但该法易出现合金化元素的偏析、低熔点金属挥发等现象。因此，本领域亟需一种能够克服以上产品缺陷、且制备时间短的一种高性能纳米结构笼合物ba8zn8ge38热电材料的制备方法。
技术实现思路
1、为了克服现有技术的上述缺点与不足，本专利技术的目的在于提供一种高性能纳米结构笼合物ba8zn8ge38热电材料的快速制备方法，该方法制备周期短、能耗低、工艺简单，且极大改善了该材料的热电性能。
2、本专利技术提供了以下技术方案：
3、一种高性能纳米结构笼合物ba8zn8ge38热电材料的制备方法，包括以下步骤：
4、s1：按化学式ba8zn8ge38中各元素的摩尔配比称重，准备颗粒状ba、颗粒状zn和颗粒状ge原料，其中，各元素单质纯度不低于99.99％；
5、s2：将各元素单质混合，在氩气气氛下密封于镀有石墨碳膜的石英管中，然后放入熔融炉中，采用1～5℃/min的升温速度缓慢加热上述石英管至1000～1200℃，熔融5～10h，得熔体，然后将所述熔体在常温过饱和盐水中淬火，得到母合金；优选的，所述升温速率为2℃/min；优选的，加热石英管至1100℃；优选的，熔融时间为8h；
6、s3：清洁母合金表面，然后将其置于喷雾旋甩淬冷规模化设备中，所述喷雾旋甩淬冷规模化设备包括感应熔炼炉和金属罩，在氩气气氛下，启动感应熔炼炉对母合金锭体进行熔炼，待原料呈熔融状态后，从进气口中输入压力为0.02～0.05mpa的氩气，使得原料以雾化金属束的形式从喷嘴喷出，喷射到用于收集雾化金属束的金属罩上，所述金属罩以1000～3000rpm的速度旋转，使得所述雾化金属束被金属罩收集并在其表面以不同的线速度旋甩，经喷雾旋甩淬冷的雾化金属束得到粒径200～500nm粉状产物；优选的，所述氩气压力为0.04mpa；优选的，所述金属罩的旋转速度为2000rpm；优选的，所述金属罩为铜罩；
7、s4：将s3得到的粉转产物烧结，即得高性能纳米结构笼合物ba8zn8ge38热电材料；
8、进一步的，s3中，所述感应熔炼炉包括管状炉体和感应线圈，所述感应线圈缠绕于管状炉体的外表面；更进一步的，所述感应熔炼炉包括管状炉体5和感应线圈6，所述感应线圈缠绕于管状炉体5的外表面，且所述感应熔炼炉的顶部设有进气口2及用于固定的套环3，底部设有雾化喷嘴4；
9、进一步的，s4中，所述烧结为放电等离子烧结；更进一步的，所述烧结温度为600～900℃、压力为25～40mpa、时间为3～10min；更进一步优选的；所述烧结温度为700℃、压力为35mpa、时间为5min；
10、进一步的，s4中，所述高性能纳米结构笼合物ba8zn8ge38热电材料的粒径为200～500nm；更进一步的，s4中，所述高性能纳米结构笼合物ba8zn8ge38热电材料的粒径约为250nm。
11、有益效果
12、与现有技术相比，本专利技术具有以下优点和有益效果：
13、(1)本专利技术采用熔融-喷雾旋甩淬冷-放电等离子烧结工艺，整个制备流程只需要40小时左右，相比于传统熔融－扩散退火－烧结致密化方法，节省了大量退火时间(节省了传统工艺中的100小时以上的退火时间)，使材料制备周期较传统合成方法缩短了约80％，极大的降低了制备成本并得到了高热电性能。
14、(2)本专利技术采用喷雾旋甩淬冷工艺使母合金中的各成分进一步分布均匀，且得到的纳米晶结构有利于在其后的放电等离子烧结过程中快速形成尺寸均匀的纳米相，并实现致密化。本专利技术具有工艺简单易控、反应时间短、能耗低、安全无污染、重复性好、得到块体材料热电性能高等特点。获得的ba8zn8ge38化合物块体材料微观晶粒尺寸约为250nm，且根据具体试验参数不同，晶粒尺寸可调控。
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1.一种高性能纳米结构笼合物Ba8Zn8Ge38热电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述高性能纳米结构笼合物Ba8Zn8Ge38热电材料的制备方法，其特征在于，S3中，所述感应熔炼炉包括管状炉体和感应线圈，所述感应线圈缠绕于管状炉体的外表面。
3.根据权利要求2所述高性能纳米结构笼合物Ba8Zn8Ge38热电材料的制备方法，其特征在于，所述感应熔炼炉包括管状炉体5和感应线圈6，所述感应线圈缠绕于管状炉体5的外表面，且所述感应熔炼炉的顶部设有进气口2及用于固定的套环3，底部设有雾化喷嘴4。
4.根据权利要求1所述高性能纳米结构笼合物Ba8Zn8Ge38热电材料的制备方法，其特征在于，S4中，所述烧结为放电等离子烧结；进一步的，所述烧结温度为600～900℃、压力为25～40MPa、时间为3～10min。
5.根据权利要求1所述高性能纳米结构笼合物Ba8Zn8Ge38热电材料的制备方法，其特征在于，S4中，所述高性能纳米结构笼合物Ba8Zn8Ge38热电材料的粒径为200～500nm；进一步的，S4中，所述
...【技术特征摘要】
1.一种高性能纳米结构笼合物ba8zn8ge38热电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述高性能纳米结构笼合物ba8zn8ge38热电材料的制备方法，其特征在于，s3中，所述感应熔炼炉包括管状炉体和感应线圈，所述感应线圈缠绕于管状炉体的外表面。
3.根据权利要求2所述高性能纳米结构笼合物ba8zn8ge38热电材料的制备方法，其特征在于，所述感应熔炼炉包括管状炉体5和感应线圈6，所述感应线圈缠绕于管状炉体5的外表面，且所述感应熔炼炉的顶部设有进气口2及用于固定的套环3，底部设...
【专利技术属性】
技术研发人员：李涵，雷康，黄昱勇，欧阳晓勇，
申请(专利权)人：江苏万新光学有限公司，
类型：发明
国别省市：
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