CN100499193C - 稀土掺杂Mg2Si0.6.Sn0.4基热电材料 - Google Patents
稀土掺杂Mg2Si0.6.Sn0.4基热电材料 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种稀土掺杂Mg2Si0.6Sn0.4基热电材料。是利用稀土进行掺杂来提高材料的热电性能。在熔炼时直接加入稀土，然后将熔炼好的材料机械球磨后热压，得到Mg2-xSi0.6Sn0.4REx的块状热电材料，其中RE表示稀土元素，x＝0.002～0.01。本发明的稀土掺杂的Mg2Si0.6Sn0.4基热电材料的热电性能优于未掺杂的Mg2Si0.6Sn0.4热电材料，掺杂的稀土元素包括重稀土和轻稀土，其机理是稀土元素具有和碱土金属类似的性质，当稀土元素加入后，容易取代Mg位，作为施主掺杂，提高载流子浓度，从而提高材料的热电性能。
Description
技术领域
本发明涉及热电材料，尤其是涉及一种稀土掺杂Mg2Si0.6Sn0.4基热电材料。
背景技术
热电材料是一种通过载流子(电子或空穴)的运动实现电能和热能直接相互转换的半导体材料。当热电材料两端存在温差时，热电材料能将热能转化为电能输出；或反之在热电材料中通以电流时，热电材料能将电能转化为热能，一端放热而另一端吸热。热电材料在制冷或发电等方面有广泛的应用背景。用热电材料制造的发电装置可作为深层空间航天器、野外作业、海洋灯塔、游牧人群使用的电源，或用于工业余热、废热发电。用热电材料制造的制冷装置体积小、不需要化学介质，可应用于小型冷藏箱、计算机芯片和激光探测器等的局部冷却、医用便携式超低温冰箱等方面，更广泛的潜在应用领域将包括：家用冰箱、冷却，车用或家用空调装置等。用热电材料制造的装置具有无机械运动部件、无噪声、无磨损、结构简单、体积形状可按需要设计等突出优点。
热电材料的性能用“热电优值”Z表征：Z＝(α2σ/κ)。这里α是材料的热电势系数，σ是电导率，κ是热导率。Mg2Si和Mg2(Si，Sn)固溶体热电材料具有原料丰富，价格低廉，无毒无污染的特点，但其热电性能仍有待于进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种稀土掺杂Mg2Si0.6Sn0.4基热电材料，通过稀土掺杂，提高载流子浓度，从而提高Mg2Si0.6Sn0.4基热电材料的Z值。
本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：
在Mg2Si0.6Sn0.4热电材料中掺入稀土元素，得到Mg2-xSi0.6Sn0.4REx的块状热电材料，其中RE表示稀土元素，x＝0.002～0.01。
所述的掺入稀土元素为轻稀土元素或重稀土元素。所述的轻稀土为La、Ce、Pr、Nd、Sm或Gd。所述的重稀土为Dy、Er或Yb。
本发明的材料采用Ar气氛下感应熔炼后真空热压的方法制备而成。具体操作步骤如下：将原料按化学剂量比Mg2-xSi0.6Sn0.4REx计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，冷却后在真空下500℃退火150h，然后将材料机械球磨后，在700℃，80MPa下真空热压2h。
本发明具有的有益效果是：
本发明稀土掺杂的Mg2Si0.6Sn0.4基热电材料的热电性能优于现有的Mg2Si0.6Sn0.4热电材料。其机理是稀土元素具有和碱土金属类似的性质，当稀土元素加入后，容易取代Mg位，作为施主掺杂，提高载流子浓度，从而提高材料的热电性能。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细阐述。
实施例1
将原料(纯镁、纯硅、纯锡和纯镧)按化学剂量比Mg1.998Si0.6Sn0.4La0.002计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，冷却后在真空下500℃退火150h。然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在700℃，80MPa下真空热压2h，得到La掺杂的Mg1.998Si0.6Sn0.4La0.002块状样品。
实施例2
将原料(纯镁、纯硅、纯锡和纯镧)按化学剂量比Mg1.995Si0.6Sn0.4La0.005计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，冷却后在真空下500℃退火150h。然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在700℃，80MPa下真空热压2h，得到La掺杂的Mg1.995Si0.6Sn0.4La0.005块状样品。
实施例3
将原料(纯镁、纯硅、纯锡和纯镧)按化学剂量比Mg1.99Si0.6Sn0.4La0.01计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，冷却后在真空下500℃退火150h。然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在700℃，80MPa下真空热压2h，得到La掺杂的Mg1.99Si0.6Sn0.4La0.01块状样品。
实施例4
将原料(纯镁、纯硅、纯锡和纯铈)按化学剂量比Mg1.998Si0.6Sn0.4Ce0.002计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，冷却后在真空下500℃退火150h。然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在700℃，80MPa下真空热压2h，得到Ce掺杂的Mg1.998Si0.6Sn0.4Ce0.002块状样品。
实施例5
将原料(纯镁、纯硅、纯锡和纯镨)按化学剂量比Mg1.99Si0.6Sn0.4Pr0.01计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，冷却后在真空下500℃退火150h。然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在700℃，80MPa下真空热压2h，得到Pr掺杂的Mg1.99Si0.6Sn0.4Pr0.01块状样品。
实施例6
将原料(纯镁、纯硅、纯锡和纯钕)按化学剂量比Mg1.998Si0.6Sn0.4Nd0.002计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，冷却后在真空下500℃退火150h。然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在700℃，80MPa下真空热压2h，得到Nd掺杂的Mg1.998Si0.6Sn0.4Nd0.002块状样品。
实施例7
将原料(纯镁、纯硅、纯锡和纯钐)按化学剂量比Mg1.995Si0.6Sn0.4Sm0.005计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，冷却后在真空下500℃退火150h。然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在700℃，80MPa下真空热压2h，得到Sm掺杂的Mg1.995Si0.6Sn0.4Sm0.005块状样品。
实施例8
将原料(纯镁、纯硅、纯锡和纯钆)按化学剂量比Mg1.998Si0.6Sn0.4Gd0.002计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，冷却后在真空下500℃退火150h。然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在700℃，80MPa下真空热压2h，得到Gd掺杂的Mg1.998Si0.6Sn0.4Gd0.002块状样品。
实施例9
将原料(纯镁、纯硅、纯锡和纯镝)按化学剂量比Mg1.995Si0.6Sn0.4Dy0.005计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，冷却后在真空下500℃退火150h。然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在700℃，80MPa下真空热压2h，得到Dy掺杂的Mg1.995Si0.6Sn0.4Dy0.005块状样品。
实施例10
将原料(纯镁、纯硅、纯锡和纯铒)按化学剂量比Mg1.99Si0.6Sn0.4Er0.01计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，冷却后在真空下500℃退火150h。然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在700℃，80MPa下真空热压2h，得到Er掺杂的Mg1.99Si0.6Sn0.4Er0.01块状样品。
实施例11
将原料(纯镁、纯硅、纯锡和纯镱)按化学剂量比Mg1.995Si0.6Sn0.4Yb0.005计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，冷却后在真空下500℃退火150h。然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在700℃，80MPa下真空热压2h，得到Yb掺杂的Mg1.995Si0.6Sn0.4Yb0.005块状样品。
对比例
将原料(纯镁、纯硅和纯锡)按化学剂量比Mg2Si0.6Sn0.4计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，冷却后在真空下500℃退火150h。然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在700℃，80MPa下真空热压2h，得到Mg2Si0.6Sn0.4块状样品。
以上所述的纯镁、纯硅、纯锡和纯稀土(镧、铈、镨、钕、钐、钆、镝、铒、镱)，均为99.9％以上。
性能检测：
材料的热导率K根据采用Netzsch LFA-457型激光脉冲热分析仪测量的热扩散系数、采用Netzsch DSC-404型差分比热仪测量的比热以及材料的密度计算得到。材料的热电势系数α采用Agilent 34970A数据采集仪测量给定温差试样两端电势差计算得到，材料的电导率σ采用四电极法测量。材料的热电优值Z根据上述测量值按Z＝(α2σ/κ)计算得到。
热电性能测量结果列表：
| 实例 | 材料化学组成 | Z(10<sup>-6</sup>K<sup>-1</sup>) |
| 实施例1 | Mg<sub>1.998</sub>Si<sub>0.6</sub>Sn<sub>0.4</sub>La<sub>0.002</sub> | 763 |
| 实施例2 | Mg<sub>1.995</sub>Si<sub>0.6</sub>Sn<sub>0.4</sub>La<sub>0.005</sub> | 983 |
| 实施例3 | Mg<sub>1.99</sub>Si<sub>0.6</sub>Sn<sub>0.4</sub>La<sub>0.01</sub> | 582 |
| 实施例4 | Mg<sub>1.998</sub>Si<sub>0.6</sub>Sn<sub>0.4</sub>Ce<sub>0.002</sub> | 590 |
| 实施例5 | Mg<sub>1.99</sub>Si<sub>0.6</sub>Sn<sub>0.4</sub>Pr<sub>0.01</sub> | 680 |
| 实施例6 | Mg<sub>1.998</sub>Si<sub>0.6</sub>Sn<sub>0.4</sub>Nd<sub>0.002</sub> | 611 |
| 实施例7 | Mg<sub>1.995</sub>Si<sub>0.6</sub>Sn<sub>0.4</sub>Sm<sub>0.005</sub> | 401 |
| 实施例8 | Mg<sub>1.998</sub>Si<sub>0.6</sub>Sn<sub>0.4</sub>Gd<sub>0.002</sub> | 274 |
| 实施例9 | Mg<sub>1.995</sub>Si<sub>0.6</sub>Sn<sub>0.4</sub>Dy<sub>0.005</sub> | 272 |
| 实施例10 | Mg<sub>1.99</sub>Si<sub>0.6</sub>Sn<sub>0.4</sub>Er<sub>0.01</sub> | 227 |
| 实施例11 | Mg<sub>1.995</sub>Si<sub>0.6</sub>Sn<sub>0.4</sub>Yb<sub>0.005</sub> | 233 |
| 对比例 | Mg<sub>2</sub>Si<sub>0.6</sub>Sn<sub>0.4</sub> | 116 |
Claims (4)
1.一种稀土掺杂Mg2Si0.6Sn0.4基热电材料，其特征在于：材料的化学组成为Mg2-xSi0.6Sn0.4REx，其中RE表示稀土元素，x＝0.002～0.01。
2.根据权利要求1所述的一种稀土掺杂Mg2Si0.6Sn0.4基热电材料，其特征在于：所述的掺入稀土元素为轻稀土元素或重稀土元素。
3.根据权利要求2所述的一种稀土掺杂Mg2Si0.6Sn0.4基热电材料，其特征在于：所述的轻稀土为La、Ce、Pr、Nd、Sm或Gd。
4.根据权利要求2所述的一种稀土掺杂Mg2Si0.6Sn0.4基热电材料，其特征在于：所述的重稀土为Dy、Er或Yb。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20090610 Termination date: 20131213 |