CN101245426A - 一种制备半哈斯勒热电化合物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的制备半哈斯勒热电化合物的方法，采用的是感应加热悬浮熔炼法，步骤如下：根据化学式Zr_xTi_1－xNiSn_ySb_1－y，0.5≤x≤1，0.97≤y≤1，称取原料Ti，Zr，Ni，Sn和Sb，将原料混合后，冷压压制成型；放入悬浮熔炼炉中，抽真空，在纯氩气气氛中进行悬浮熔炼至完全熔化，保温80～100s，冷却；待样品完全冷却后取出，敲碎，重新放入悬浮熔炼炉中，抽真空，在纯氩气气氛中再熔炼至完全熔化，保温80～100s，冷却后得到半哈斯勒半导体热电化合物。本发明方法工艺简单，周期短，能耗低，成本低。

Description

一种制备半哈斯勒热电化合物的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体热电材料半哈斯勒(Half-Heusler)化合物的制备方法。

背景技术

热电材料是一种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。热电材料是一种环境友好型功能材料。利用热电材料制成的制冷和发电系统可以有效地利用电厂、汽车等放出的废热和废气直接发电，不需要媒介物质，同时不生成任何废弃物；而且还具有使用寿命长，性能稳定等优点。90年代以来，随着全球环境污染、能源危机的日益严重，以及计算机技术、航空航天技术、超导技术和微电子技术的发展，迫切需要小型、静态、固定、长寿命且安全的制冷装置。因此，热电材料受到人们的广泛关注。

热电性能用热电优值Z来描述，其定义为Z＝α²σ/κ，这里α是Seebeck系数，σ是电导率，κ是热导率。虽然温差发电及半导体制冷技术具有传统技术所无法比拟的优点，但热电转换效率低的缺陷大大制约了它的广泛应用，真正要使该技术得到突破性进展将有赖于热电材料热电性能的大幅提高。目前热电材料研究热点之一是开发具有较高热电优值的新型热电材料。目前研究较多的有Skutterudite(方钴矿)材料，IV族Clathrates体系热电转换材料，多元钴酸氧化物(如NaCo₂O₄)陶瓷热电转换材料等。半哈斯勒(Half-Heusler)化合物是其中之一。

Half-Heusler化合物的结构最先由Heusler发现并报道，Half-Heusler化合物的通式是ABX，A是元素周期表中的过渡元素钛或钒族，B是元素周期表中的过渡元素铁、钴或镍族，X是主族元素镓、锡或锑等。Half-Heusler化合物具有MgAgAs型结构，由两个相互穿插的面心立方和位于中心的简单立方构成。具有热电性能的Half-Heusler化合物主要有ANiSn(A＝Ti，Zr，Hf)，ACoSb(A＝Ti，Zr，Hf)，NbIrSn，VFeSb，LnPdSb等。Half-Heusler化合物作为热电材料的研究对象时间不长，国内研究几乎空白，国外相关报道也较少。该化合物由于具有较大的Seebeck系数、适中的电导率，作为一种新型高性能中温热电材料近年来引起了研究者的极大关注。

Half-Heusler化合物ANiSn(A＝Ti，Zr，Hf)的制备较为困难。Ti，Zr，Hf，Ni都属于高熔点金属，而Sn的熔点很低，使该合金的制备很困难，难以得到成分均匀的单相组织，应用受到了很大的限制。目前文献报道的该化合物ANiSn的制备方法主要有以下几种：(1)固相反应法(刘海强、唐新峰等，物理学报，55 42006)；(2)电弧熔炼法(S.R.Culp，S.J.Poon，et al.Appl.Phys.Lett.，88，0421062006)；(3)粉末冶金法(S.W.Kim，Y.Kimura，Y.Mishima Intermetallics，15 3492007)，上述方法都经过了较长时间的反应过程或退火过程，以得到均匀的单相组织，所需时间长，浪费能源，使材料的制备成本高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺简单，成本较低的制备半哈斯勒热电化合物的方法。

本发明的制备半哈斯勒热电化合物的方法，采用的是感应加热悬浮熔炼法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据化学式Zr_xTi_1-xNiSn_ySb_1-y，0.5≤x≤1，0.97≤y≤1，称取原料纯Ti，纯Zr，纯Ni，纯Sn和纯Sb，将原料混合后，冷压压制成型；

2)将压制成型的原料放入感应加热悬浮熔炼炉的坩埚中，抽真空，在纯氩气气氛中进行悬浮熔炼至完全熔化，保温80～100s，冷却；

3)待样品完全冷却后取出，敲碎，重新放入感应加热悬浮熔炼炉的坩埚中，抽真空，在纯氩气气氛中再熔炼至完全熔化，保温80～100s，冷却后得到半哈斯勒热电化合物。

本发明中，所说的Zr的纯度大于99.99％，Ti的纯度大于99.999％，Ni的纯度大于99.999％，Sn的纯度大于99.9％。Sb的纯度大于99.999％。

本发明方法的基本原理是电流通过感应线圈在坩埚和金属原料内部产生涡流，由于涡流之间的电磁力相互排斥，使金属原料悬浮起来，并加热熔化。感应加热悬浮熔炼具有能够熔化高熔点的金属材料；由于悬浮作用没有来自坩埚的杂质，可以熔炼超高纯度的金属材料；由于很强的电磁搅拌，因此能够生产成分组织均匀的合金；缩短熔化时问，达到快速熔化等优点。本发明方法工艺简单，周期短，能耗低，成本低。

附图说明

图1是ZrNiSn_0.97Sb_0.03的X射线衍射图；

图2是Zr_0.5Ti_0.5NiSn_0.97Sb_0.03的X射线衍射图。

具体实施方式

以下结合实例对本发明详细叙述。

实施例1

1)按化学式ZrNiSn_0.97Sb_0.03相应的化学剂量比称取Zr(纯度99.99％)，Ni(纯度99.999％)，Sn(纯度99.9％)和Sb(纯度99.999％)共计25克，其中Sb过量3％摩尔，以平衡其挥发造成的损失。将原料混合后，经冷压模具(直径Φ25mm)压制为圆片；

2)将压制成型的圆片放入感应加热悬浮熔炼炉的坩埚中，抽真空两次，在纯氩气气氛中进行悬浮熔炼，缓慢增大感应线圈功率(最大功率～35KW左右)，至原料完全熔化，样品处于悬浮状态，并伴有很强的电磁搅拌作用，保温100s，关掉电源，冷却样品；

3)待样品完全冷却后取出，敲碎，重新放入感应加热悬浮熔炼炉的坩埚中，抽真空两次，在纯氩气气氛中缓慢增大感应线圈功率(最大功率～20KW左右)，再熔炼至样品完全熔化，保温100s，关掉电源，冷却后得到ZrNiSn_0.97Sb_0.03半导体热电化合物。

样品的X射线衍射图见图1，由图可见制得的样品为纯净的ZrNiSn_0.97Sb_0.03相。

实施例2

1)按化学式Zr_0.5Ti_0.5NiSn_0.97Sb_0.03相应的化学剂量比称取Zr(纯度99.99％)，Ti(纯度99.999％)，Ni(纯度99.999％)，Sn(纯度99.9％)和Sb(纯度99.999％)共计25克，其中Sb过量3％摩尔，以平衡其挥发造成的损失。将原料混合后，经冷压模具(直径Φ25mm)压制为圆片；

2)将压制成型的圆片放入感应加热悬浮熔炼炉的坩埚中，抽真空两次，在纯氩气气氛中进行悬浮熔炼，缓慢增大感应线圈功率(最大功率～35KW左右)，至原料完全熔化，样品处于悬浮状态，并伴有很强的电磁搅拌作用，保温80s，关掉电源，冷却样品；

3)待样品完全冷却后取出，敲碎，重新放入感应加热悬浮熔炼炉的坩埚中，抽真空两次，在纯氩气气氛中缓慢增大感应线圈功率(最大功率～20KW左右)，再熔炼至样品完全熔化，保温80s，关掉电源，冷却后得到Zr_0.5Ti_0.5NiSn_0.97Sb_0.03半导体热电化合物。

样品的X射线衍射图见图2，由图可见制得的样品为纯净的Zr_0.5Ti_0.5NiSn_0.97Sb_0.03相。

实施例3

1)按化学式Zr_0.85Ti_0.15NiSn相应的化学剂量比称取Zr(纯度99.99％)，Ti(纯度99.999％)，Ni(纯度99.999％)和Sn(纯度99.9％)共计25克。将原料混合后，将原料混合后，经冷压模具(直径Φ25mm)压制为圆片；

步骤2)、步骤3)同实施例1。

熔炼后得到样品，采用X射线衍射仪(XRD)对晶体进行结构分析，分析结果表明为纯净的Zr_0.85Ti_0.15NiSn相。

实施例4

1)按化学式Zr_0.75Ti_0.25NiSn_0.97Sb_0.03相应的化学剂量比称取Zr(纯度99.99％)，Ti(纯度99.999％)，Ni(纯度99.999％)，Sn(纯度99.9％)和Sb(纯度99.999％)共计30克，其中Sb过量3％摩尔以平衡其挥发造成的损失。将原料混合后，经冷压模具(直径Φ25mm)压制为圆片；

步骤2)、步骤3)同实施例2。

熔炼后得到样品，采用X射线衍射仪(XRD)对晶体进行结构分析，分析结果表明为纯净的Zr_0.75Ti_0.25NiSn_0.97Sb_0.03相。

Claims (1)

1.一种制备半哈斯勒热电化合物的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)根据化学式Zr_xTi_1-xNiSn_ySb_1-y，0.5≤x≤1，0.97≤y≤1，称取原料纯Ti，纯Zr，纯Ni，纯Sn和纯Sb，将原料混合后，冷压压制成型；

2)将压制成型的原料放入感应加热悬浮熔炼炉的坩埚中，抽真空，在纯氩气气氛中进行悬浮熔炼至完全熔化，保温80～100s，冷却；

3)待样品完全冷却后取出，敲碎，重新放入感应加热悬浮熔炼炉的坩埚中，抽真空，在纯氩气气氛中再熔炼至完全熔化，保温80～100s，冷却后得到半哈斯勒热电化合物。

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