CN102321820A - 一种β-FeSi2基热电材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种β-FeSi2基热电材料的制备方法，该方法包括以下步骤：(1)将Fe、M和Si粉按比例在氩气保护气氛下均匀混合，得到混合物；(2)将所述混合物在氩气气氛保护下进行间歇式球磨，即得合金粉；(3)将所述合金粉进行压片，得到合金片；(4)所述合金片置于与所述合金片规格相匹配的石墨模具中后，将所述石墨模具置于氩气气氛下的管式炉进行烧结、退火，即得β-FeSi2基热电材料。本发明不但简化了工艺，使操作更容易，而且也降低了设备成本，同时也使所获得的产品的组分易控制，所得的β-FeSi2基热电材料，颗粒尺寸小且分布均匀。
Description
技术领域
本发明涉及一种热电材料的制备方法，尤其涉及一种β-FeSi2基热电材料的制备方法。
背景技术
能源是人类活动的物质基础，是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力。工业革命后，在稳定能源供应的支持下，世界经济规模取得了较大增长，人类充分享受着能源带来的经济发展和科技进步等利益。而近年来由于需求的增大，煤、石油、天然气等主要的传统不可再生能源开始日益枯竭，这些矿物能源的过度使用还造成了环境的严重污染，威胁着人类的生存与发展。能源问题已上升到了国家的高度，也成为21世纪人类所共同关注的问题。
热电材料也叫温差材料，是一种通过内部载流子运动直接进行热电转换作用的功能材料。利用热电材料制成的热电转换元件具有结构简单、坚固耐用、无噪声、无振动、无机械部件、不需要冷媒、运行可靠等优点，尤其在环境问题日益突出的今天，更具有广泛的应用前景。热电材料的热电转换效率常用热电优值Z或无量纲优值ZT来表征，Z＝S2/ρκ，其中S为塞贝克系数，ρ为电阻率，κ为热导率。β-FeSi2作为热电材料，具有在200～900℃温度范围内的高温热电转换功能，虽然ZT值较小，但因其高温抗氧化性、无毒、来源丰富、成本低廉等优点，已成为当今热电材料的研究热点之一。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种工艺简单、易操作、设备成本低廉、产品组分易控制的β-FeSi2基热电材料的制备方法。
为解决上述问题，本发明所述的一种β-FeSi2基热电材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Fe、M和Si粉按照0.92～1∶0～0.08∶2.5的摩尔比在氩气保护气氛下均匀混合，得到混合物；
(2)将所述混合物在氩气气氛保护下装入不锈钢真空球磨罐，以200～300rpm的转速进行间歇式球磨20～50h，即得合金粉；其中球料质量比为60～80∶1；
(3)将所述合金粉在20～30MPa的压力下保压10～20min进行压片，得到合金片；
(4)所述合金片置于与所述合金片规格相匹配的石墨模具中后，将所述石墨模具置于氩气气氛下的管式炉进行烧结、退火，即得组成为FexM1-x Si2.5的β-FeSi2基热电材料，其中0.92≤x≤1。
所述步骤(1)中的M为金属Al、Co、Mn、Ni元素中的任意一种。
所述步骤(4)中的烧结条件是指以5～10K/min的升温速率升至1100～1150℃，烧结时间为2～4h。
所述步骤(4)中的退火条件是指以2～5K/min的降温速度从烧结温度开始降至800～850℃，退火时间为15～20h。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1、由于本发明将机械合金化和氩气保护下退火相结合，因此，不但简化了工艺，使操作更容易，而且也降低了设备成本，同时也使所获得的产品的组分易控制。
2、采用本发明合成的β-FeSi2基热电材料，物相结构为β-FeSi2和少量的Si组成，因此样品热电性能好。
3、采用本发明方法获得的β-FeSi2基热电材料，颗粒尺寸小且分布均匀。对机械合金化的粉末进行XRD衍射分析(荷兰帕纳科公司生产的X’Pert PRO型X-ray衍射仪，Cu靶，2θ5°～80°，电流30mA，电压40kV。)表明，该物相为合金相β-FeSi2/ε-FeSi(如图1所示)。机械合金化后的粉末在氩气保护下退火后制备的样品进行XRD衍射分析表明，退火过程中合金相全部转化为β-FeSi2并且有少量的Si存在(如图2所示)；少量的硅均匀分布在β-FeSi2基热电材料当中，一方面起到增加的对载流子的散射作用，从而降低热导率；另一方面增加了样品的电学性能从而提高了样品的热电性能。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1为本发明的XRD图谱。
图2为本发明β-FeSi2基热电材料机械合金化和氩气保护下退火的XRD图谱。
具体实施方式
实施例1一种β-FeSi2基热电材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Fe、M——金属Mn和Si粉按照0.92∶0.08∶2.5的摩尔比在氩气保护气氛下均匀混合，得到混合物。
(2)将混合物在氩气气氛保护下装入不锈钢真空球磨罐，以200rpm的转速进行间歇式球磨20h，即得Fe-Si合金粉；其中球料质量比(kg/kg)为80∶1。
(3)将合金粉在20MPa的压力下保压20min进行压片，得到合金片。
(4)合金片置于与合金片规格相匹配的石墨模具中后，将石墨模具置于氩气气氛下的管式炉中，以5K/min的升温速率升至1150℃进行烧结，2h后以2K/min的降温速度从烧结温度开始降至800℃进行退火，退火时间为20h，即得组成为FexM1-x Si2.5的β-FeSi2基热电材料，其中0.92≤x≤1。
实施例2一种β-FeSi2基热电材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Fe、M——金属Al和Si粉按照1∶0.05∶2.5的摩尔比在氩气保护气氛下均匀混合，得到混合物。
(2)将混合物在氩气气氛保护下装入不锈钢真空球磨罐，以300rpm的转速进行间歇式球磨50h，即得Fe-Si合金粉；其中球料质量比(kg/kg)为60∶1。
(3)将合金粉在20MPa的压力下保压20min进行压片，得到合金片。
(4)合金片置于与合金片规格相匹配的石墨模具中后，将石墨模具置于氩气气氛下的管式炉中，以5K/min的升温速率升至1100℃进行烧结，4h后以2K/min的降温速度从烧结温度开始降至800℃进行退火，退火时间为20h，即得组成为FexM1-x Si2.5的β-FeSi2基热电材料，其中0.92≤x≤1。
实施例3一种β-FeSi2基热电材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Fe、M——金属Co和Si粉按照1∶0∶2.5的摩尔比在氩气保护气氛下均匀混合，得到混合物。
(2)将混合物在氩气气氛保护下装入不锈钢真空球磨罐，以200rpm的转速进行间歇式球磨20h，即得Fe-Si合金粉；其中球料质量比(kg/kg)为80∶1。
(3)将合金粉在30MPa的压力下保压10min进行压片，得到合金片。
(4)合金片置于与合金片规格相匹配的石墨模具中后，将石墨模具置于氩气气氛下的管式炉中，以10K/min的升温速率升至1150℃进行烧结，3h后以5K/min的降温速度从烧结温度开始降至800℃进行退火，退火时间为20h，即得组成为FexM1-x Si2.5的β-FeSi2基热电材料，其中0.92≤x≤1。
实施例4一种β-FeSi2基热电材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Fe、M一金属Co和Si粉按照0.95∶0.05∶2.5的摩尔比在氩气保护气氛下均匀混合，得到混合物。
(2)将混合物在氩气气氛保护下装入不锈钢真空球磨罐，以200rpm的转速进行间歇式球磨30h，即得Fe-Si合金粉；其中球料质量比(kg/kg)为80∶1。
(3)将合金粉在20MPa的压力下保压20min进行压片，得到合金片。
(4)合金片置于与合金片规格相匹配的石墨模具中后，将石墨模具置于氩气气氛下的管式炉中，以8K/min的升温速率升至1150℃进行烧结，3h后以5K/min的降温速度从烧结温度开始降至850℃进行退火，退火时间为20h，即得组成为FexM1-x Si2.5的β-FeSi2基热电材料，其中0.92≤x≤1。
实施例5一种β-FeSi2基热电材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Fe、M——金属Mn和Si粉按照0.96∶0.04∶2.5的摩尔比在氩气保护气氛下均匀混合，得到混合物。
(2)将混合物在氩气气氛保护下装入不锈钢真空球磨罐，以200rpm的转速进行间歇式球磨20h，即得Fe-Si合金粉；其中球料质量比(kg/kg)为80∶1。
(3)将合金粉在20MPa的压力下保压20min进行压片，得到合金片。
(4)合金片置于与合金片规格相匹配的石墨模具中后，将石墨模具置于氩气气氛下的管式炉中，以8K/min的升温速率升至1150℃进行烧结，3h后以5K/min的降温速度从烧结温度开始降至850℃进行退火，退火时间为15h，即得组成为FexM1-x Si2.5的β-FeSi2基热电材料，其中0.92≤x≤1。
实施例6一种β-FeSi2基热电材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Fe、M——金属Ni和Si粉按照0.97∶0.03∶2.5的摩尔比在氩气保护气氛下均匀混合，得到混合物。
(2)将混合物在氩气气氛保护下装入不锈钢真空球磨罐，以200rpm的转速进行间歇式球磨20h，即得Fe-Si合金粉；其中球料质量比(kg/kg)为80∶1。
(3)将合金粉在25MPa的压力下保压20min进行压片，得到合金片。
(4)合金片置于与合金片规格相匹配的石墨模具中后，将石墨模具置于氩气气氛下的管式炉中，以8K/min的升温速率升至1150℃进行烧结，3h后以5K/min的降温速度从烧结温度开始降至800℃进行退火，退火时间为15h，即得组成为FexM1-x Si2.5的β-FeSi2基热电材料，其中0.92≤x≤1。
实施例7一种β-FeSi2基热电材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Fe、M——金属Co和Si粉按照0.96∶0.04∶2.5的摩尔比在氩气保护气氛下均匀混合，得到混合物。
(2)将混合物在氩气气氛保护下装入不锈钢真空球磨罐，以220rpm的转速进行间歇式球磨20h，即得Fe-Si合金粉；其中球料质量比(kg/kg)为70∶1。
(3)将合金粉在20MPa的压力下保压15min进行压片，得到合金片。
(4)合金片置于与合金片规格相匹配的石墨模具中后，将石墨模具置于氩气气氛下的管式炉中，以8K/min的升温速率升至1125℃进行烧结，4h后以3K/min的降温速度从烧结温度开始降至820℃进行退火，退火时间为18h，即得组成为FexM1-x Si2.5的β-FeSi2基热电材料，其中0.92≤x≤1。
上述实施例1～7不锈钢真空球磨罐中钢球粒径为0.5～1.5cm。
应该理解，这里讨论的实施例和实施方案只是为了说明，对熟悉该领域的人可以提出各种改进和变化，这些改进和变化将包括在本申请的精神实质和范围以及所附的权利要求范围内。
Claims (4)
1.一种β-FeSi2基热电材料的制备方法，包括以下步骤：
(1)将Fe、M和Si粉按照0.92～1∶0～0.08∶2.5的摩尔比在氩气保护气氛下均匀混合，得到混合物；
(2)将所述混合物在氩气气氛保护下装入不锈钢真空球磨罐，以200～300rpm的转速进行间歇式球磨20～50h，即得合金粉；其中球料质量比为60～80∶1；
(3)将所述合金粉在20～30MPa的压力下保压10～20min进行压片，得到合金片；
(4)所述合金片置于与所述合金片规格相匹配的石墨模具中后，将所述石墨模具置于氩气气氛下的管式炉进行烧结、退火，即得组成为FexM1-x Si2.5的β-FeSi2基热电材料，其中0.92≤x≤1。
2.如权利要求1所述的一种β-FeSi2基热电材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的M为金属Al、Co、Mn、Ni元素中的任意一种。
3.如权利要求1所述的一种β-FeSi2基热电材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的烧结条件是指以5～10K/min的升温速率升至1100～1150℃，烧结时间为2～4h。
4.如权利要求1所述的一种β-FeSi2基热电材料的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的退火条件是指以2～5K/min的降温速度从烧结温度开始降至800～850℃，退火时间为15～20h。
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