CN101197420A - 稀土掺杂Mg2Si基热电材料 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种稀土掺杂Mg2Si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－xSiREx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Mg2Si基热电材料的热电性能优于未掺杂的Mg2Si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

稀土掺杂Mg2Si基热电材料
技术领域
本发明涉及热电材料，尤其是涉及一种稀土掺杂Mg2Si基热电材料。
技术背景
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Mg2Si基热电材料，通过稀土掺杂，提高载流子浓度，从而提高Mg2Si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Mg2Si热电材料中掺入稀土元素，得到Mg2-xSiREx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-xSiREx计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，然后将材料机械球磨后，在850℃，80MPa下真空热压40min。
本发明具有的有益效果是：
本发明稀土掺杂的Mg2Si基热电材料的热电性能优于现有的Mg2Si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、纯硅和纯镧)按化学剂量比Mg1.995SiLa0.005计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在850℃，80MPa下真空热压40min，得到La掺杂的Mg1.995SiLa0.005块状样品。
实施例2
将原料(纯镁、纯硅和纯铈)按化学剂量比Mg1.998SiCe0.002计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在850℃，80MPa下真空热压40min，得到Ce掺杂的Mg1.998SiCe0.002块状样品。
实施例3
将原料(纯镁、纯硅和纯镨)按化学剂量比Mg1.995SiPr0.005计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在850℃，80MPa下真空热压40min，得到Pr掺杂的Mg1.995SiPr0.005块状样品。
实施例4
将原料(纯镁、纯硅和纯钕)按化学剂量比Mg1.99SiNd0.01计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在850℃，80MPa下真空热压40min，得到Nd掺杂的Mg1.99SiNd0.01块状样品。
实施例5
将原料(纯镁、纯硅和纯钐)按化学剂量比Mg1.998SiSm0.002计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在850℃，80MPa下真空热压40min，得到Sm掺杂的Mg1.998SiSm0.002块状样品。
实施例6
将原料(纯镁、纯硅和纯钆)按化学剂量比Mg1.998SiGd0.002计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在850℃，80MPa下真空热压40min，得到Gd掺杂的Mg1.998SiGd0.002块状样品。
实施例7
将原料(纯镁、纯硅和纯镝)按化学剂量比Mg1.995SiDy0.005计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在850℃，80MPa下真空热压40min，得到Dy掺杂的Mg1.995SiDy0.005块状样品。
实施例8
将原料(纯镁、纯硅和纯铒)按化学剂量比Mg1.995SiEr0.005计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在850℃，80MPa下真空热压40min，得到Er掺杂的Mg1.995SiEr0.005块状样品。
实施例9
将原料(纯镁、纯硅和纯镱)按化学剂量比Mg1.99SiYb0.01计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在850℃，80MPa下真空热压40min，得到Yb掺杂的Mg1.99SiYb0.01块状样品。
对比例
将原料(纯镁和纯硅)按化学剂量比Mg2Si计算称量后，在Ar气保护下感应熔炼，然后将材料球磨过38.5μm(400目)后，在850℃，80MPa下真空热压40min，得到Mg2Si块状样品。
以上所述的纯镁、纯硅和纯稀土(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κ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(10-6K-1)
  实施例1     Mg1.995SiLa0.005     543
  实施例2     Mg1.998SiCe0.002     525
  实施例3     Mg1.995SiPr0.005     554
  实施例4     Mg1.99SiNd0.01     590
  实施例5     Mg1.998SiSm0.002     587
  实施例6     Mg1.998SiGd0.002     512
  实施例7     Mg1.995SiDy0.005     509
  实施例8     Mg1.995SiEr0.005     521
  实施例9     Mg1.99SiYb0.01     542
  对比例     Mg2Si     478

Claims (4)

1.一种稀土掺杂Mg2Si基热电材料，其特征在于：材料的化学组成为Mg2-xSiREx，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Mg2Si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Mg2Si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Mg2Si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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