CN102534303B - 一种新型Zn-Sb基热电材料 - Google Patents
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Abstract
一种新型Zn-Sb热电材料，其是将Zn、Sb原料真空熔炼并淬火回火后得到母合金锭，随后将母合金锭掺杂一定的Te再经高能球磨，热压烧结得到新型Zn-Sb热电材料，所述的热电材料为n型Zn-Sb热电材料，其比以往制得的p型Zn-Sb热电材料的热导率降低至少30％。
Description
技术领域
本发明涉及一种热电材料，具体的说是一种新型的ZnSb基热电材料。
背景技术
热电转换技术是一种利用半导体材料的塞贝克效应(Seebeck)和帕尔帖效应(Peltier)实现热能和电能直接互相转换的技术。而热电转换的效率无疑取决于热电材料的热电性能。至于热电材料的热电性能则由无量纲热电优值ZT＝α2σ/κ决定，其中T是绝对温度，α是塞贝克系数，σ是电导率，κ是热导率。由上述公式可知，提高材料的电导率σ和塞贝克系数α，或者降低热导率κ，均能够增加ZT值从而提升热电材料的热电转换效率。然而，对于金属基热电材料而言，这三个参数往往难以同时都朝向有益于提高ZT值的方向变化，例如增大α值就会导致σ降低，因此，寻找有效提高ZT值的新型热电材料一直是热电技术领域的研究目标。
近年来，β-相Zn4Sb3作为热电材料的制备和使用受到了广泛的关注和研究。β-相Zn4Sb3是一种p型半导体化合物，由于其复杂的晶体结构而具有非常低的热导率和较高的电导率，被认为是极具应用前景的中温热电材料，其制备工艺、热电性能和晶体结构等也被广泛深入地研究。而同样是Zn-Sb基材料的ZnSb基热电材料，虽然早在上世纪六七十年代就已被发现在室温具有很高的塞贝克系数，但是由于其同时也具有很高的热导率，从而严重阻碍其成为热电材料的候选，对其制备工艺、热电性能、晶体结构及实际应用等的研究也很少，大大滞后于其它的β-相Zn4Sb3基热电材料。如果能够通有效降低ZnSb基热电材料的热导率系数，无疑将使得ZnSb基热电材料的研究获得极大的进展，甚至使ZnSb基热电材料成功进入实用。
发明内容
本发明的目的即在于提供一种具有优异热电性能的新型ZnSb基热电材料。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
首先，选取99.999％纯度的Zn和99.999％纯度的Sb为原料，按照原子比1∶1的比例进行配料并混合。
随后，将混合好的原料装入真空石英管中，以8-10K/min的升温速率升温至720-730℃，熔融保温4-5h后，投入水中淬火后再升温至470-500℃保温80-90h，得到ZnSb母合金锭。
随后将占ZnSb母合金原子百分含量2.1-2.5％的99.999％纯度的Te粉与经过预破碎的ZnSb母合金锭一起放入行星式高能球磨机中进行球磨；其中，所述Te粉粒度小于5μm，所述球磨具体为在惰性气氛下，选用10mm的不锈钢球，球料比为6-4∶1，转速为420-450rpm，球磨时间为12-14小时。
随后对球磨后的原料进行热压烧结，其中烧结温度为400-450℃，压力为50-70MPa，保温时间为2-3h，从而得到新型ZnSb基热电材料。
本发明的优点是：通过球磨、热压烧结的合适工艺以及各个参数的适当配合，能够有效降低ZnSb基热电材料的热传导系数，并且通过掺杂合适量的Te能够得到n型ZnSb基热电材料。
具体实施方式
下面，通过具体的实施例对本发明进行详细说明。
实施例1.
首先，选取99.999％纯度的Zn和99.999％纯度的Sb为原料，按照原子比1∶1的比例进行配料并混合。
随后，将混合好的原料装入真空石英管中，以9K/min的升温速率升温至720℃，熔融保温4后，投入水中淬火后再升温至470℃保温80h，得到ZnSb母合金锭。
随后将占ZnSb母合金原子百分含量2.1％的99.999％纯度的Te粉与经过预破碎的ZnSb母合金锭一起放入行星式高能球磨机中进行球磨；其中，所述Te粉粒度约为3μm，所述球磨具体为在惰性气氛下，选用10mm的不锈钢球，球料比为6∶1，转速为420rpm，球磨时间为12小时。
随后对球磨后的原料进行热压烧结，其中烧结温度为400℃，压力为50MPa，保温时间为2h，从而得到新型ZnSb基热电材料。
制备得到的新型ZnSb基热电材料为n型，而普通的合金铸锭为p型，同时本发明的ZnSb基热电材料热导率较之普通的ZnSb合金铸锭下降约37％。
实施例2.
首先，选取99.999％纯度的Zn和99.999％纯度的Sb为原料，按照原子比1∶1的比例进行配料并混合。
随后，将混合好的原料装入真空石英管中，以9K/min的升温速率升温至725℃，熔融保温4.5h后，投入水中淬火后再升温至480℃保温85h，得到ZnSb母合金锭。
随后将占ZnSb母合金原子百分含量2.3％的99.999％纯度的Te粉与经过预破碎的ZnSb母合金锭一起放入行星式高能球磨机中进行球磨；其中，所述Te粉粒度约为3μm，所述球磨具体为在惰性气氛下，选用10mm的不锈钢球，球料比为5∶1，转速为440rpm，球磨时间为13小时。
随后对球磨后的原料进行热压烧结，其中烧结温度为430℃，压力为60MPa，保温时间为2.5h，从而得到新型ZnSb基热电材料。
制备得到的新型ZnSb基热电材料为n型，热导率较之普通的ZnSb合金铸锭下降约39％。
实施例3.
首先，选取99.999％纯度的Zn和99.999％纯度的Sb为原料，按照原子比1∶1的比例进行配料并混合。
随后，将混合好的原料装入真空石英管中，以9K/min的升温速率升温至730℃，熔融保温5h后，投入水中淬火后再升温至500℃保温90h，得到ZnSb母合金锭。
随后将占ZnSb母合金原子百分含量2.5％的99.999％纯度的Te粉与经过预破碎的ZnSb母合金锭一起放入行星式高能球磨机中进行球磨；其中，所述Te粉粒度约为3μm，所述球磨具体为在惰性气氛下，选用10mm的不锈钢球，球料比为4∶1，转速为450rpm，球磨时间为14小时。
随后对球磨后的原料进行热压烧结，其中烧结温度为450℃，压力为70MPa，保温时间为3h，从而得到新型ZnSb基热电材料。
制备得到的新型ZnSb基热电材料为n型，热导率较之普通的ZnSb合金铸锭下降约35％。
Claims (3)
1.一种ZnSb基热电材料，其特征在于其由以下步骤制备得到：
首先，选取99.999％纯度的Zn和99.999％纯度的Sb为原料，按照原子比1∶1的比例进行配料并混合；
随后，将混合好的原料装入真空石英管中，以9K/min的升温速率升温至725℃，熔融保温4.5h后，投入水中淬火后再升温至480℃保温85h，得到ZnSb母合金锭；
随后将占ZnSb母合金原子百分含量2.3％的99.999％纯度的Te粉与经过预破碎的ZnSb母合金锭一起放入行星式高能球磨机中进行球磨；其中，所述Te粉粒度为3μm，所述球磨具体为在惰性气氛下，选用10mm的不锈钢球，球料比为5∶1，转速为440rpm，球磨时间为13小时；
随后对球磨后的原料进行热压烧结，其中烧结温度为430℃，压力为60MPa，保温时间为2.5h，从而得到ZnSb基热电材料。
2.根据权利要求1所述的热电材料，其中，所述ZnSb基热电材料为n型ZnSb基热电材料。
3.根据权利要求1所述的热电材料的应用，其中，所述应用为热电发电、制冷或者太阳能。
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