CN101597034A - 一种碲化铋纳米晶块体材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种碲化铋纳米晶块体材料及其制备方法属于纳米材料制备领域。本发明的材料的特征在于，其化学组成为Bi2Te3，块体材料的晶粒粒径为30－100nm。本发明提供的制备方法特征在于，它包括以下步骤：分别以碲和铋的单质块为阳极，以金属钨为阴极，在氩气压力为0.05～0.1MPa的气氛中，采用直流电弧蒸发冷凝的方法制备出粒径为10～50nm的碲和铋的纳米粉末。将碲和铋的纳米粉末于氩气气氛中，按摩尔比3∶2，研磨混合后装入石墨模具中，将模具置于SPS烧结腔体中，施加30～50MPa的轴向压力，在氩气气氛或真空度为5～8Pa的条件下烧结，随炉冷却至室温得到碲化铋纳米晶块体材料。本发明方法工艺简单，且制备的碲化铋块体纯度高、晶粒尺度可控。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料制备技术领域，具体涉及一种碲化铋纳米晶块体材料及其制备方法。
背景技术
碲化铋热电材料是室温下性能最好的热电材料，也是研究最早最成熟的热电材料之一，目前大多数制冷元件都采用这类热电材料。但其最大无量纲热电优值仍徘徊在1左右，如能进一步优化碲化铋基热电材料电性能必将扩大其应用的范围和领域。经过多年的研究发现，通过合金化修饰其能带结构以及通过纳米化改变其输运特性是进一步提高碲化铋基热电材料性能的两个可能途径，尤其是将纳米技术应用到此种材料中，可使其热电性能得到成倍的提高。
目前，纳米碲化铋热电材料的研究主要集中在二维薄膜、一维纳米线以及纳米粉末方面。常用的制备方法有机械合金化、水热法、金属有机物化学蒸发-冷凝、溶剂热法以及电化学原子层外延等。尽管纳米线、薄膜和超晶格的热电优值远远高于普通块体材料，但目前还很难将其做成实际应用的器件。如果能使具有纳米晶粒结构的同组分块体材料也具有相当甚至更高的热电优值将会使碲化铋热电材料的应用领域得到进一步扩大。
传统的纳米晶块体材料制备方法如电化学沉积法、严重塑性变形法、非晶法、机械合金化法等很难制备出在100nm以下较大尺度范围内晶粒尺度可控的纳米晶块体材料。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术的问题，而提供一种高纯碲、铋纳米粉末以及高致密碲化铋纳米晶块体材料及其制备方法。
本发明所提供的一种碲化铋纳米晶块体材料的化学成分为Bi2Te3，块体材料的晶粒粒径为30～100nm。
本发明所提供的一种碲化铋纳米晶块体材料的制备方法，具体包括以下步骤：
1)采用直流电弧蒸发冷凝设备，以Te的单质块为阳极，金属钨为阴极，在氩气气压为0.05～0.1MPa的气氛中，反应电流40～100A，阳极与阴极间电压为30～50V，反应时间为20～40min，制备Te纳米粉末；
2)采用直流电弧蒸发冷凝设备，以Bi的单质块为阳极，金属钨为阴极，在氩气气压为0.05～0.1MPa的气氛中，反应电流40～80A，阳极与阴极间电压为30～50V，反应时间为20～40min，制备Bi纳米粉末；
3)将Te纳米粉末和Bi纳米粉末于氧含量为0.05～0.1ppm的氩气气氛中，按摩尔比3∶2，研磨混合后装入石墨模具中；
4)将模具置于放电等离子烧结设备的烧结腔体中，施加30～50MPa的轴向压力，在氩气气氛或5～8Pa的真空条件下烧结，以50～80℃/min的升温速率升温，烧结温度为370～420℃，保温5～15min，随炉冷却至室温，得到碲化铋块体材料。
在本发明所提供的制备方法中得到的Te纳米粉末的粒径为10～50nm；得到的Bi纳米粉末的粒径为10～50nm。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：
本发明方法烧结温度低、压力小，工艺简单，所制备的碲化铋(Bi2Te3)纳米晶块体材料致密度高，相对密度可达99.5％，三点抗弯强度达85Mpa，经X射线衍射、X射线荧光光谱等检测为单一碲化铋(Bi2Te3)物相，化学纯度达到99.9％。采用日本理工ZEM-2和TC-7000测试了碲化铋块体试样的电热输运特性，在室温下的无量纲热电优值达1.23。
附图说明
图1、实施例1制备的纳米Te粉末的TEM照片。
图2、实施例1制备的纳米Bi粉末的TEM照片。
图3、实施例1制备的碲化铋烧结样品的X射线谱图。
图4、实施例1制备的碲化铋烧结样品的TEM照片。
以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。
具体实施方式
在下面实施例中使用的原料为市售的高纯碲(99.999wt％)和市售的高纯Bi(99.999wt％)。
实施例1
1)采用直流电弧蒸发冷凝设备，以Te的单质块为阳极，金属钨为阴极，在氩气气压为0.1MPa的气氛中，反应电流40A，阳极与阴极间电压为50V，反应时间为20min，得到10～40nm的Te纳米粉末；
2)采用直流电弧蒸发冷凝设备，以Bi的单质块为阳极，金属钨为阴极，在氩气气压为0.1MPa的气氛中，反应电流40A，阳极与阴极间电压为50V，反应时间为20min，得到10～30nm的Bi纳米粉末；
3)将Te纳米粉末和Bi纳米粉末于氧含量为0.05ppm的氩气气氛中，按摩尔比3∶2，研磨混合后装入直径为20mm的石墨模具中；
4)将模具置于SPS烧结腔体中，施加30MPa的轴向压力，在5Pa的真空条件下烧结，以50℃/min的升温速率升温，烧结温度为370℃，保温15min，随炉冷却至室温，得到碲化铋(Bi2Te3)块体。
碲化铋块体的X射线谱图如图1所示，从图中可知，样品为Bi2Te3纯相，衍射峰强度高，结晶良好。经X射线荧光光谱测试表明，该烧结块体样品的化学纯度达到99.9％。经TEM分析表明，碲化铋块体试样的晶粒粒径为30-80nm。测得样品的相对密度为98.8％，三点抗弯强度达87MPa。测试了碲化铋的电热输运特性，在室温下的无量纲热电优值达1.25。
实施例2
1)采用直流电弧蒸发冷凝设备，以Te的单质块为阳极，金属钨为阴极，在氩气气压为0.05MPa的气氛中，反应电流60A，阳极与阴极间电压为30V，反应时间为30min，得到10～40nm的Te纳米粉末；
2)采用直流电弧蒸发冷凝设备，以Bi的单质块为阳极，金属钨为阴极，在氩气气压为0.05MPa的气氛中，反应电流60A，阳极与阴极间电压为30V，反应时间为30min，得到10～40nm的Bi纳米粉末；
3)将Te纳米粉末和Bi纳米粉末于氧含量为0.05ppm的氩气气氛中，按摩尔比3∶2，研磨混合后装入直径为20mm的石墨模具中；
4)将模具置于SPS烧结腔体中，施加40MPa的轴向压力，在8Pa的真空条件下烧结，以60℃/min的升温速率升温，烧结温度为400℃，保温10min，随炉冷却至室温，得到碲化铋(Bi2Te3)块体。
经X射线测试分析可知，样品为Bi2Te3纯相，衍射峰强度高，结晶良好。经X射线荧光光谱测试表明，该Bi2Te3烧结块体样品的化学纯度达到99.8％。经TEM分析表明，碲化铋块体试样的晶粒粒径为40-80nm。测得样品的相对密度为99.0％，三点抗弯强度达86MPa。室温下无量纲热电优值达1.22。
实施例3
1)采用直流电弧蒸发冷凝设备，以Te的单质块为阳极，金属钨为阴极，在氩气气压为0.05MPa的气氛中，反应电流100A，阳极与阴极间电压为40V，反应时间为40min，得到20～50nm的Te纳米粉末；
2)采用直流电弧蒸发冷凝设备，以Bi的单质块为阳极，金属钨为阴极，在氩气气压为0.05MPa的气氛中，反应电流80A，阳极与阴极间电压为40V，反应时间为40min，制备20～50nm的Bi纳米粉末；
3)将Te纳米粉末和Bi纳米粉末于氧含量为0.1ppm的氩气气氛中，按摩尔比3∶2，研磨混合后装入直径为20mm的石墨模具中；
4)将模具置于SPS烧结腔体中，施加50MPa的轴向压力，在氩气气氛中烧结，以80℃/min的升温速率升温，烧结温度为420℃，保温5min，随炉冷却至室温，得到碲化铋(Bi2Te3)块体。
经X射线测试分析可知，样品为Bi2Te3纯相，衍射峰强度高，结晶良好。经X射线荧光光谱测试表明，该Bi2Te3烧结块体样品的化学纯度达到99.8％。经TEM分析表明，碲化铋块体试样的晶粒粒径为50-100nm。测得样品的相对密度为99.5％，三点抗弯强度达85MPa。室温下无量纲热电优值达1.24。
Claims (4)
1、一种碲化铋纳米晶块体材料，其特征在于，所述的块体材料的化学成分为Bi2Te3，块体材料的晶粒粒径为30～100nm。
2、根据权利要求1所述的一种碲化铋纳米晶块体材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)采用直流电弧蒸发冷凝设备，以Te的单质块为阳极，金属钨为阴极，在氩气气压为0.05～0.1MPa的气氛中，反应电流40～100A，阳极与阴极间电压为30～50V，反应时间为20～40min，制备Te纳米粉末；
2)采用直流电弧蒸发冷凝设备，以Bi的单质块为阳极，金属钨为阴极，在氩气气压为0.05～0.1MPa的气氛中，反应电流40～80A，阳极与阴极间电压为30～50V，反应时间为20～40min，制备Bi纳米粉末；
3)将Te纳米粉末和Bi纳米粉末于氧含量为0.05～0.1ppm的氩气气氛中，按摩尔比3∶2，研磨混合后装入石墨模具中；
4)将模具置于放电等离子烧结设备的烧结腔体中，施加30～50MPa的轴向压力，在氩气气氛或5～8Pa真空条件下烧结，以50～80℃/min的升温速率升温，烧结温度为370～420℃，保温5～15min，随炉冷却至室温，得到碲化铋块体材料。
3、根据权利要求2所述的一种碲化铋纳米晶块体材料的制备方法，其特征在于，所述的Te纳米粉末的粒径为10～50nm。
4、根据权利要求2所述的一种碲化铋纳米晶块体材料的制备方法，其特征在于，所述的Bi纳米粉末的粒径为10～50nm。
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