CN102252895B

CN102252895B - 一种n型Bi2Te3块体材料的力学性能的测试方法

Info

Publication number: CN102252895B
Application number: CN2011100713452A
Authority: CN
Inventors: 李耀刚; 闫伟; 江莞; 王连军; 王宏志; 张青红
Original assignee: Donghua University
Current assignee: Donghua University
Priority date: 2011-03-23
Filing date: 2011-03-23
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2031-03-23
Also published as: CN102252895A

Abstract

本发明涉及一种n型Bi₂Te₃块体材料的力学性能的测试方法，包括：(1)粉碎区熔n型Bi₂Te₃单晶锭棒，过筛选取粒度为80μm的初始粉料，然后放电等离子烧结技术进行块体材料的制备；(2)室温下，将上述烧结的n型Bi₂Te₃块体样品切成片状，经过粗磨、细磨，并采用1μm的金刚石单面抛光制成MSP样品，利用MSP系统进行样品的断裂性能，动态疲劳和循环疲劳测试。本发明的测试方法简单，适用于片状小样品；样品固定方便，施加循环载荷时样品仍能保持其位置的稳定，确保测试结果有效；通过改变测试模式，可获得n型Bi₂Te₃块体材料的MSP断裂强度和疲劳性能。

Description

一种n型Bi2Te3块体材料的力学性能的测试方法

技术领域

本发明属材料力学性能测试领域，特别是涉及一种n型Bi₂Te₃块体材料的力学性能的测试方法。

背景技术

在常温环境里，碲化铋(Bi₂Te₃)系热电材料是研究最成熟、应用最广泛的一类热电材料。Bi₂Te₃的晶体结构属三方晶系，沿C轴方向可视为六面体层状结构，在同一层上具有相同的原子种类，层与层之间呈-Te⁽¹⁾-Bi-Te⁽²⁾-Bi-Te⁽¹⁾-的原子排布方式，其中-Bi-Te⁽¹⁾-之间以共价键和离子键相结合，-Bi-Te⁽²⁾-之间为共价键，而-Te⁽¹⁾-Te⁽¹⁾-之间则以范德华力结合。Bi₂Te₃合金一直是在室温附近性能最佳的热电材料，已在各种制冷和温控技术中获得广泛应用。Li等人在Crystal Growth 8(2008)1225上报导通过电化学沉积法合成了Bi₂Te₃合金；朱文等在应用化学22(2005)1168上报道采用电化学原子层外延法制备了Bi₂Te₃薄膜。由此可见，Bi₂Te₃热电材料因其独特的性能在工业以及高科技领域应用前景广阔。

SPS烧结技术是上世纪90年代发展起来的一种新型快速烧结技术，与传统的烧结方法相比，可以节约能源、提高设备效率、降低成本，且所制备材料的晶粒均匀、致密度高、力学性能好。目前，SPS技术在日本已发展较为成熟，除用作商业生产，在材料制备领域具有广阔的应用前景。Cui等人在Materials Science and Engineering B 44(2005)135上报道了通过SPS烧结法制备了Ga掺杂的P型Bi-Sb-Te合金，并且计算出了热电性能优值ZT为0.65。

MSP试验法是适合陶瓷等脆性材料的小样品力学性能评价方法。该方法结合了冲压测试和双轴弯曲试验的优势，其最大特点是采用圆形或方形片状小样品，样品制备简单、测试简便，而且具有样品固定方便等突出优势，因此在室温材料评价中得到广泛应用。Z.Xiong等人在Materials Transactions 46(2005)631上报道了利用MSP试验法评价Mo/PSZ系复合材料的强度特性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种n型Bi₂Te₃块体材料的力学性能的测试方法，该方法简单、高效、方便和可靠，适于评价n型Bi₂Te₃块体材料室温力学性能。

本发明的一种n型Bi₂Te₃块体材料的力学性能的测试方法，包括：

(1)n型Bi₂Te₃块体材料的制备

粉碎商业应用的区熔n型Bi₂Te₃单晶锭棒，过筛选取粒度为80μm的初始粉料，然后利用放电等离子烧结(SPS)技术进行块体材料的制备；

(2)MSP(Modified Small Punch)评价n型Bi₂Te₃块体材料的力学性能

室温下，将上述SPS烧结的n型Bi₂Te₃块体样品切成片状，经过粗磨、细磨，并采用1μm的金刚石单面抛光制成MSP样品，利用MSP系统进行样品的断裂性能，动态疲劳和循环疲劳测试。

所述步骤(1)中的SPS烧结温度为400～440℃。

所述步骤(1)中的SPS烧结升温速率为50K/min，保温时间为5～10min。

所述步骤(2)中的MSP系统的承载模孔径为4.0mm，柱状压头直径为1.8mm，样品为圆片样品(Φ10×0.6mm)。

所述步骤(2)以INSTRON 8501动态数字液压伺服材料试验机和INSTRON SERIES IX软件作为液压驱动和数据收集平台。

所述步骤(2)中的断裂性能测试所采用的加载速率为：0.05mm/min。

所述步骤(2)中的动态疲劳和循环疲劳测试样品为SPS烧结温度为420℃时的样品。

所述步骤(2)中的动态疲劳测试所采用的加载速率为：0.0005、0.005、0.05、0.5和5mm/min，直至样品断裂，相应的采样率分别为10、10、20、100、500pt/s。

所述步骤(2)中的循环疲劳测试所采用的循环加载波形为半正弦波，载荷振幅为10N，循环次数为10²、10³、10⁴、和10⁵次。循环加载结束后，使用普通MSP强度测试评价样品的剩余强度，加载速率为0.05mm/min。

有益效果

(1)本发明的测试方法中SPS烧结工艺简单，对生产设备要求简单，所制备的n型Bi₂Te₃块体材料具有较好的热电性能和力学性能；

(2)本发明对试验参数进行不同设定便可对样品实施力学性能测试；此外MSP试验法样品固定方便，施加循环载荷时，样品仍能保持其位置的稳定，所以MSP疲劳测试的结果也更有意义；MSP疲劳加载后直接进行MSP强度测试，完全能保证疲劳加载和强度测试在样品的同一部位；

(3)MSP测试法是适合于评价小尺寸陶瓷材料力学性能的有效、方便和可靠的测试方法。

附图说明

图1为SPS烧结n型Bi₂Te₃块体材料的X射线衍射图；

图2为SPS烧结n型Bi₂Te₃块体材料的相对密度；

图3为SPS烧结n型Bi₂Te₃块体材料的MSP断裂强度随烧结温度的变化关系；

图4为不同加载速率下SPS烧结n型Bi₂Te₃块体材料的MSP强度；

图5为n型Bi₂Te₃块体材料的MSP剩余强度和循环次数的关系。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

以商业应用的区熔n型Bi₂Te₃单晶锭棒为起始原料，首先通过粉碎与过筛选取粒度为80μm的初始粉料，将粉料装入石墨模具中，放入SPS系统，然后利用SPS技术进行块体材料的制备，相应的工艺参数分别是：烧结温度为400℃，升温速率为50K/min，保温5min。将上述制备温度下SPS烧结的n型Bi₂Te₃块体样品，切出厚度约为1mm，直径Φ10的圆片，然后经过粗磨、细磨，最后采用1μm的金刚石单面抛光制成厚度约为0.6mm的MSP样品。采用载荷控制，对n型Bi₂Te₃块体材料进行不同加载速率下的MSP强度测试。所采用的加载速率为：0.0005、0.005、0.05、0.5和5mm/min，直至样品断裂，相应的采样率分别为10、10、20、100、500pt/s。各种条件下至少测试5个样品。采用直径1.8mm的圆柱形压头进行载荷控制的循环疲劳加载。循环加载波形为半正弦波，载荷振幅为10N，载荷比R＝P_max/P_min保持在0.1，循环次数为10²、10³、10⁴、和10⁵。循环加载结束后，使用普通MSP强度测试评价样品的剩余强度，加载速率为0.05mm/min。图1为n型Bi₂Te₃块体样品的X射线衍射图，从图中可以看出块体样品为单相六方碲化铋结构，且块体的特征峰都较强，半高宽较窄。图2为n型Bi₂Te₃块体样品的相对密度，可以看出：n型Bi₂Te₃块体材料400℃温度下烧结相对密度为97.22％。图3为SPS法制备的n型Bi₂Te₃块体材料的MSP断裂强度随烧结温度的变化。从图中可以发现，400℃制备的Bi₂Te₃块体材料的断裂强度为104Mpa。

实施例2

以商业应用的区熔n型Bi₂Te₃单晶锭棒为起始原料，首先通过粉碎与过筛选取粒度为80μm的初始粉料，将粉料装入石墨模具中，放入SPS系统，然后利用SPS技术进行块体材料的制备，相应的工艺参数分别是：烧结温度为420℃，升温速率为50K/min，保温8min。将上述制备温度下SPS烧结的n型Bi₂Te₃块体样品，切出厚度约为1mm，直径Φ10的圆片，然后经过粗磨、细磨，最后采用1μm的金刚石单面抛光制成厚度约为0.6mm的MSP 样品。采用载荷控制，对n型Bi₂Te₃块体材料进行不同加载速率下的MSP强度测试。所采用的加载速率为：0.0005、0.005、0.05、0.5和5mm/min，直至样品断裂，相应的采样率分别为10、10、20、100、500pt/s。各种条件下至少测试5个样品。采用直径1.8mm的圆柱形压头进行载荷控制的循环疲劳加载。循环加载波形为半正弦波，载荷振幅为10N，载荷比R＝P_max/P_min保持在0.1，循环次数为10²、10³、10⁴、和10⁵。循环加载结束后，使用普通MSP强度测试评价样品的剩余强度，加载速率为0.05mm/min。X射线衍射图可以看出块体样品为单相六方碲化铋结构，且块体的特征峰都较强，半高宽较窄。n型Bi₂Te₃块体材料420℃温度下烧结相对密度为97.85％。从n型Bi₂Te₃块体材料的MSP断裂强度随烧结温度的变化图中可以发现，420℃制备的Bi₂Te₃块体材料的断裂强度为107.5Mpa。图4为不同应力速率下本例样品的MSP强度。图5为半正弦波形下本例样品的MSP剩余强度和循环次数的关系。如图所示，当样品经过不同次数的振幅为10N的循环加载后，MSP强度没有很明显的降低。

实施例3

以商业应用的区熔n型Bi₂Te₃单晶锭棒为起始原料，首先通过粉碎与过筛选取粒度为80μm的初始粉料，将粉料装入石墨模具中，放入SPS系统，然后利用SPS技术进行块体材料的制备，相应的工艺参数分别是：烧结温度为440℃，升温速率为50K/min，保温10min。将上述制备温度下SPS烧结的n型Bi₂Te₃块体样品，切出厚度约为1mm，直径Φ10的圆片，然后经过粗磨、细磨，最后采用1μm的金刚石单面抛光制成厚度约为0.6mm的MSP样品。采用载荷控制，对n型Bi₂Te₃块体材料进行不同加载速率下的MSP强度测试。所采用的加载速率为：0.0005、0.005、0.05、0.5和5mm/min，直至样品断裂，相应的采样率分别为10、10、20、100、500pt/s。各种条件下至少测试5个样品。采用直径1.8mm的圆柱形压头进行载荷控制的循环疲劳加载。循环加载波形为半正弦波，载荷振幅为10N，载荷比R＝P_max/P_min保持在0.1，循环次数为10²、10³、10⁴、和10⁵。循环加载结束后，使用普通MSP强度测试评价样品的剩余强度，加载速率为0.05mm/min。X射线衍射图可以看出块体样品为单相六方碲化铋结构，且块体的特征峰都较强，半高宽较窄。n型Bi₂Te₃块体材料420℃温度下烧结相对密度为99.15％。从n型Bi₂Te₃块体材料的MSP断裂强度随烧结温度的变化图中可以发现，440℃制备的Bi₂Te₃块体材料的断裂强度为118Mpa。

Claims

1.一种n型Bi₂Te₃块体材料的力学性能的测试方法，包括：

(1)粉碎区熔n型Bi₂Te₃单晶锭棒，过筛选取粒度为80μm的初始粉料，然后利用放电等离子烧结技术进行块体材料的制备；

(2)室温下，将上述烧结的n型Bi₂Te₃块体样品切成片状，经过粗磨、细磨，并采用1μm的金刚石单面抛光制成MSP样品，利用MSP系统进行样品的断裂性能，动态疲劳和循环疲劳测试；其中，MSP系统的承载模孔径为4.0mm，柱状压头直径为1.8mm，样品为圆片样品Φ10×0.6mm；断裂性能测试所采用的加载速率为：0.05mm/min；动态疲劳测试所采用的加载速率为：0.0005、0.005、0.05、0.5和5mm/min，直至样品断裂，相应的采样率分别为10、10、20、100、500pt/s；循环疲劳测试所采用的循环加载波形为半正弦波，载荷振幅为10N，循环次数为102、103、104、和105次；测试剩余强度的加载速率为0.05mm/min。

2.根据权利要求1所述的一种n型Bi₂Te₃块体材料的力学性能的测试方法，其特征在于：所述步骤(1)中的放电等离子烧结的烧结温度为400～440℃。

3.根据权利要求1所述的一种n型Bi₂Te₃块体材料的力学性能的测试方法，其特征在于：所述步骤(1)中的放电等离子烧结的烧结升温速率为50K/min，保温时间为5～10min。

4.根据权利要求1所述的一种n型Bi₂Te₃块体材料的力学性能的测试方法，其特征在于：所述步骤(2)中的动态疲劳和循环疲劳测试样品为烧结温度为420℃时的样品。