一种电场反应热压法制备多孔纳米镁硅基块体热电材料的方法，属于热电材料及制备方法的技术领域，其特征在于是一种采用电场反应热压法一步制备多孔纳米Mg2Si基块体热电材料的方法，该方法一步实现Mg2Si的反应合成和致密化烧结，工序简单，成本低，生成物纯度高，方便添加各种掺杂物质，生成物具有多孔纳米结构。有效避免了多步制备方法中对产品的持续污染。同时，反应和烧结致密化同步进行，降低了产品制备所需要的温度和时间，有效抑制晶粒粗化。在保护气体作用下，反应副产物以纳米孔洞的形式聚集于晶界，进一步抑制晶粒长大并增强声子散射。生成的产物反应完全，晶粒尺寸小于70nm，断面孔洞率约为5-15%，孔洞和纳米晶粒的共存在有利于减小产物热导率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术，属于热电材料及制备方法的
，具体涉及一种采用电场反应热压法一步制备多孔纳米Mg2Si基块体热电材料的方法，利用该方法可以一步实现Mg2Si的反应合成和致密化烧结，产物为颗粒度小于70nm的结构且含有一定纳米孔的Mg2Si基热电材料。利用该方法制备的Mg2Si基块体热电材料具有多孔和纳米的特征，有助于获得较高的热电转换性能。
技术介绍
目前Mg2Si传统的制备方法为利用单质的Mg粉和Si粉直接反应而成，或者利用其它方法制得Mg2Si粉体后，再在真空压力炉或等离子烧结炉中进行致密化得到块体Mg2Si热电材料。存在的主要问题是:由于二者熔点相差较大，导致制备工艺复杂，耗时长，烧结后期晶粒长大严重。利用MgH2粉取代纯Mg粉后，可以有效降减少产物中MgO的含量，降低反应温度至350°C，经过 15-20小时的置换反应后可以获得纳米级Mg2Si粉体，但在后期的致密化烧结过程中不可避免地再次引入杂质，且烧结温度为650-700°C，导致晶粒长大严重，严重降低了 Mg2Si热电材料的热电传输性能。
技术实现思路
本专利技术，目的在于 为了克服上述工艺制备Mg2Si热电材料的不足，本专利技术设计了一种电场反应热压法一步制备多孔纳米Mg2Si块体热电材料的方法，该方法有利于克服传统工艺中由于反应时间长，烧结温度高导致产物晶粒粗大和MgO杂质含量高等不足，一步制得纳米Mg2Si基块体材料，另夕卜，通过向晶界引入少量纳米孔有利于通过晶界定扎作用抑制晶粒长大，并且通过量子阱效应加强声子散射，进一步降低热导率和提高热电性能。本专利技术，其特征在于是一种采用电场反应热压法一步制备多孔纳米Mg2Si基块体热电材料的方法，该方法是在电场激活压力辅助合成炉中进行，外加工频交流电场和单向压力通过促进MgH2粉、纳米Si粉、少量Y粉和Bi粉的界面紧密接触和物质输运，同步完成化学反应和产物粉体的烧结致密化，制备该材料的原材料MgH2粉末的颗粒度< 45 μ m,纯度> 99.5%，纳米Si粉的颗粒度(50nm,纯度≥99.90%,稀土金属Y粉的颗粒度≤45 μ m,纯度≥99.5%，重金属Bi粉的颗粒度≤ 45 μ m,纯度≥99.5%,摩尔混合比例为(2-x): (l-y):x:y (x ≤ 0.01,y ≤ 0.01), Jx应方程为:(2-x)MgH2 + xY + (l-y)Si + yBi = Mg^Y.Si^.Bi, + (2-χ)Η2 (I) (x ≤ 0.01,y ≤0.01)，在外加惰性保护气体的作用下，生成的副产物H2缓慢逸出，通过降低氧化势，防止氧化镁的进一步形成，同时在后期烧结过程中残余氢气逐渐聚集于晶界，对晶界起到钉扎作用，主要表现为当扩散原子由晶界流向气孔时产生的晶界位移改变了气孔表面曲率半径，而该曲率半径引起的化学位梯度正是晶粒生长的驱动力，当原子由孔洞流向晶界时，亚宏观上便体现为晶粒生长受阻，具体方法及工艺步骤为:O首先将颗粒度彡45 μ m及纯度彡99.5%的反应物MgH2粉末、颗粒度彡50nm及纯度彡99.90%的纳米Si粉、颗粒度彡45 μ m及纯度彡99.5%的稀土金属Y粉、颗粒度彡45 μ m和纯度彡99.5%的重金属Bi粉，以(2-x): (l-y):x:y的摩尔比例混合(x ( 0.01，y ^ 0.01)，球磨1-3小时保证混合均匀，形成混合粉末9 ； 2)然后将混合粉体9置于石墨模具4中的上压头6和下压头7之间，将装配好的石墨模具置于反应腔体3中，与上电极2和下电极5接触，抽真空至IOPa以下，然后由气瓶12向腔体中通入惰性保护气体11，直至腔体内压强达到IO5Pa并保持； 3)接通工频交流电源10并单向加压1，实现同步反应和烧结致密化，设置粉体升温速度为30-40°C /min,当温度达到350°C时，保温10-15分钟，以确保粉体充分反应并进行烧结，在此过程中施加30MPa的压力，然后继续升温至450-550°C后，施加70_100MPa的单向压力，保温5-10min，最后切断电源，卸载后试样随炉冷却。制备过程工艺流程如图2所示。本专利技术是一种制备多孔纳米镁硅基块体热电材料的方法的有益效果是:该方法工序简单，成本低，生成物纯度高，方便添加各种掺杂物质，生成物具有多孔纳米结构。过渡金属Y和重金属Bi的双掺杂 可以提高施主元素的浓度，进而增加载流子的数量，达到改善电性能的目的。有效避免了多步制备方法中对产品的持续污染。同时，反应和烧结致密化同步进行，降低了产品制备所需要的温度和时间，有效抑制晶粒粗化。在保护气体作用下，反应副产物以纳米孔洞的形式聚集于晶界，进一步抑制晶粒长大并增强声子散射。生成的产物反应完全，晶粒尺寸约为40nm，断面孔洞率约为5-15%，孔洞和纳米晶粒的共存在有利于减小产物热导率。附图说明图1反应装置工作原理图1-外加压力2-上电极3-反应腔体4-石墨模具5-下电极6-上压头7-下压头 8-热电偶9-反应粉体 10-工频交流电源11-惰性保护气体12-气瓶图2制备过程工艺流程图具体实施方式: 实施方式I 将反应物MgH2粉末(颗粒度彡45 μ m,纯度彡99.5%)，纳米Si粉(颗粒度彡50nm,纯度彡99.90%)，稀土金属Y粉(颗粒度彡45 μ m,纯度彡99.5%)和重金属Bi粉(颗粒度彡45 μ m，纯度彡 99.5%)的摩尔混合比例为 1.995:0.995:0.005:0.005 (x=0.005，y=0.005)，球磨1-3小时保证混合均匀，形成混合粉末9，然后将混合粉体9置于石墨模具4中的上压头6和下压头7之间，将装配好的石墨模具置于反应腔体3中，与上电极2和下电极5接触，抽真空至IOPa以下，然后由气瓶12向腔体中通入Ar保护气体11，直至腔体内压强达到IO5Pa并保持。接通工频交流电源10并单向加压1，实现同步反应和烧结致密化。设置粉体升温速度为35°C /min,当温度达到350°C时，保温10分钟，以确保粉体充分反应并进行烧结，在此过程中施加30MPa的压力，然后继续升温至450°C后，施加70MPa的单向压力，保温15min。最后切断电源，卸载后试样随炉冷却。生成的产物反应完全，组织致密度为75.3%，晶粒尺寸约 40nm。实施方式2 将反应物MgH2粉末(颗粒度≤45 μ m,纯度≤99.5%)，纳米Si粉(颗粒度≤50nm,纯度≥99.90%)，稀土金属Y粉(颗粒度≤45 μ m,纯度≥99.5%)和重金属Bi粉(颗粒度 ≤45 μ m，纯度≥ 99.5%)的摩尔混合比例为 1.995:0.099:0.005:0.01 (x=0.005，y=0.01)，球磨 1-3小时保证混合均匀，形成混合粉末9，然后将混合粉体9置于石墨模具4中的上压头6和下压头7之间，将装配好的石墨模具置于反应腔体3中，与上电极2和下电极5接触，抽真空至IOPa以下，然后由气瓶12向腔体中通入He保护气体11，直至腔体内压强达到IO5Pa并保持。接通工频交流电 源10并单向加压1，实现同步反应和烧结致密化。设置粉体升温速度为40°C /min,当温度达到350°C时，保温15分钟，以确保粉体充分反应并进行烧结，在此过程中施加30MPa的压本文档来自技高网...
【技术保护点】
电场反应热压法制备多孔纳米镁硅基块体热电材料的方法，其特征在于是一种采用电场反应热压法一步制备多孔纳米Mg2Si基块体热电材料的方法，该方法是在电场激活压力辅助合成炉中进行，外加工频交流电场和单向压力通过促进MgH2粉、纳米Si粉、少量Y粉和Bi粉的界面紧密接触和物质输运，同步完成化学反应和产物粉体的烧结致密化，制备该材料的原材料MgH2粉末的颗粒度≤45μm，纯度≥99.5%，纳米Si粉的颗粒度≤50nm,?纯度≥99.90%，稀土金属Y粉的颗粒度≤45μm，纯度≥99.5%，重金属Bi粉的颗粒度≤45μm，纯度≥99.5%，摩尔混合比例为（2?x）：（1?y）：x：y（x≤0.01,y≤0.01），反应方程为：(2?x)MgH2?+?xY?+?(1?y)Si?+?yBi?=?Mg2?xYxSi1?yBiy?+?(2?x)H2?（1）(x≤0.01,?y≤0.01)，在外加惰性保护气体的作用下，生成的副产物H2缓慢逸出，通过降低氧化势，防止氧化镁的进一步形成，同时在后期烧结过程中残余氢气逐渐聚集于晶界，对晶界起到钉扎作用，当扩散原子由晶界流向气孔时产生的晶界位移改变了气孔表面曲率半径，而该曲率半径引起的化学位梯度正是晶粒生长的驱动力，当原子由孔洞流向晶界时，亚宏观上便体现为晶粒生长受阻，具体方法及工艺步骤为：1）首先将颗粒度≤45μm及纯度≥99.5%的反应物MgH2粉末、颗粒度≤50nm及纯度≥99.90%的纳米Si粉、颗粒度≤45μm及纯度≥99.5%的稀土金属Y粉、颗粒度≤45μm和纯度≥99.5%的重金属Bi粉，以（2?x）：（1?y）：x：y的摩尔比例混合（x≤0.01,y≤0.01），球磨1?3小时保证混合均匀，形成混合粉末9；2）然后将混合粉体（9）置于石墨模具（4）中的上压头（6）和下压头（7）之间，将装配好的石墨模具置于反应腔体（3）中，与上电极（2）和下电极（5）接触，抽真空至10Pa以下，然后由气瓶（12）向腔体中通入惰性保护气体（11），直至腔体内压强达到105Pa并保持；3）接通工频交流电源（10）并单向加压（1），实现同步反应和烧结致密化，设置粉体升温，速度为30?40℃/min，当温度达到350℃时，保温10?15分钟，以确保粉体充分反应并进行烧结，在此过程中施加30MPa的压力，然后继续升温至450?550℃后，施加70?100MPa的单向压力，保温5?10min，最后切断电源，卸载后试样随炉冷却。...
【技术特征摘要】
1.电场反应热压法制备多孔纳米镁硅基块体热电材料的方法，其特征在于是一种采用电场反应热压法一步制备多孔纳米Mg2Si基块体热电材料的方法，该方法是在电场激活压力辅助合成炉中进行，外加工频交流电场和单向压力通过促进MgH2粉、纳米Si粉、少量Y粉和Bi粉的界面紧密接触和物质输运，同步完成化学反应和产物粉体的烧结致密化，制备该材料的原材料MgH2粉末的颗粒度≤45 μ m,纯度> 99.5%，纳米Si粉的颗粒度≤50nm，纯度≥99.90%,稀土金属Y粉的颗粒度≤45 μ m,纯度≥99.5%，重金属Bi粉的颗粒度≤45 μ m，纯度≥99.5%，摩尔混合比例为(2-x): (l-y):x:y(x ^ 0.01, y ^ 0.01),反应方程为:(2_x)MgH2 + xY + (l-y)Si + yBi = Mg2_xYxSi1_yBiy + (2_x) H2 (I) (x ≤ 0.01，y ≤ 0.01)，在外加惰性保护气体的作用下，生成的副产物H2缓慢逸出，通过降低氧化势，防止氧化镁的进一步形成，同时在后期烧结过程中残余氢气逐渐聚集于晶界，对晶界起到钉扎作用，当扩散原子由晶界流向气孔时产生的晶界位移改变了气孔表面曲率半径，而该曲率半径引起的化学位梯度正是...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈少平，樊文浩，孟庆森，李育德，张机源，李洋，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：
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