CN103915559B - Zn元素掺杂Mg2Si基热电材料 - Google Patents

Zn元素掺杂Mg2Si基热电材料 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种Zn元素掺杂Mg2Si基热电材料，涉及热电材料，Zn掺杂Mg2Si基热电材料的热电性能优于现有的Mg2Si材料，其机理是Zn元素具有和碱土金属类似的性质，当Zn元素加入后，容易取代Mg位，作为施主掺杂，提供导电电子作为载流子，从而提高材料的电导率与热电性能，填补了Mg2Si基热电材料用Zn掺杂的空白。

Description

Zn元素掺杂Mg2Si基热电材料
技术领域
本发明涉及热电材料，尤其是涉及一种Zn元素掺杂Mg2Si基热电材料。
技术背景
热电材料是一种实现热能与电能相互转换的功能材料。在热电材料两端有温度差存在时，它可将热能转换为电能。相比传统发电方式，热电材料制成的发电器件具有无机械运动部件、无噪音、无磨损、结构简单、形状可设计等一系列突出优点。并且它可用于工业废热、汽车尾热的回收利用。在热电材料中通入电流时，它可将电能转换为热能，一端吸热而另一端放热。这种特性可用于制冷。采用热电材料制成的制冷装置具有很多优点，比如无需化学介质且体积小等。在医用与家用冰箱、车用家用空调、激光探测器和计算机芯片的冷却等方面具有广阔的应用前景。
热电材料的性能用热电优值Z＝α2σ/κ衡量，其中α、σ、κ分别为材料的塞贝克系数、电导率与热导率，绝大多数的优质热电材料含有毒元素且价格昂贵，而Mg2Si基热电材料具有元素储量丰富、成本很低、环境友好等一系列特点，但Mg2Si基热电材料的热电性能较低，有待于进一步提高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种Zn掺杂Mg2Si基热电材料，通过Zn掺杂，提高了载流子浓度，进而提高了材料的电导率与热电性能。
本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：
Zn元素掺杂Mg2Si基热电材料，热电材料的化学组成为MgxZnySi0.99Sb0.01,其中x＝1.9～1.925,y＝0.075～0.1。
Zn元素掺杂Mg2Si基热电材料的制备方法，其包括以下具体步骤：
1)将原料试样按化学计量比MgxZnySi0.99Sb0.01(其中Mg元素过量5％)研磨均匀后置于坩埚中；
2)将步骤1中的原料试样放入热处理炉中进行熔炼；
3)取出步骤2中的原料试样并研磨成粉末，真空放电等离子烧结15min，得到3.75％～5％Zn掺杂MgxZnySi0.99Sb0.01块状样品。
为了获得更好的技术效果，作为优选的，上述的镁、锌、硅、锑的纯度均在99％以上。
为了获得更好的技术效果，进一步的技术改进在于，上述步骤2中的原料 试样在放入热处理炉中进行熔炼之前其上方覆盖有氧化硼粉末。这样设置，氧化硼在熔炼温度700度时，会融化形成一层液体薄膜，覆盖在原料试样上方，阻止了原料试样与外界的接触，起到一个密封作用，尤其是阻止了Mg的氧化和挥发。
为了获得更好的技术效果，进一步的技术改进在于，原料试样在热处理炉中的温度为700℃，时间为10小时。
本发明的有益效果是：
本发明Zn掺杂Mg2Si基热电材料的热电性能优于现有的Mg2Si材料，其机理是Zn元素具有和碱土金属类似的性质，当Zn元素加入后，容易取代Mg位，作为施主掺杂，提供导电电子作为载流子，提高了Mg2Si基热电材料的电导率，从而提高材料的Z值(热电优值)，填补了Mg2Si基热电材料用Zn掺杂的空白。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述。
实施例1
将原料粉末(镁、锌、硅、锑)按化学计量比Mg1.925Zn0.075Si0.99Sb0.01(其中Mg元素过量5％，因为在高温时Mg会容易挥发，进而导致最后得到的样品中的Mg含量比化学式的要少)研磨均匀后置于氧化铝敞口坩埚中，原料上方覆盖上氧化硼粉末，氧化硼在熔炼温度700℃时，会融化形成一层液体薄膜，覆盖在原料试样上方，阻止了原料试样与外界的接触，起到一个密封作用，尤其是阻止了Mg的氧化和挥发。将原料试样在热处理炉中熔炼(700℃，10h)，取出试样研磨成粉末，在80MPa，1073K真空放电等离子烧结15min，得到3.75％Zn掺杂的Mg1.925Zn0.075Si0.99Sb0.01块状样品。
实施例2
将原料粉末(镁、锌、硅、锑)按化学计量比Mg1.9Zn0.1Si0.99Sb0.01(其中Mg元素过量5％，因为在高温时Mg会容易挥发，进而导致最后得到的样品中的Mg含量就比化学式的要少)研磨均匀后置于氧化铝敞口坩埚中，原料上方覆盖上氧化硼粉末，氧化硼在熔炼温度700℃时，会融化形成一层液体薄膜，覆盖在原料试样上方，阻止了原料试样与外界的接触，起到一个密封作用，尤其是阻止了Mg的氧化和挥发。将原料试样在热处理炉中熔炼(700℃，10h)，取出试样研磨成粉末，在80MPa，1073K真空放电等离子烧结15min，得到 5％Zn掺杂的Mg1.9Zn0.1Si0.99Sb0.01块状样品。
对比例
将原料粉末(镁、硅、锑)按化学计量比Mg2Si0.99Sb0.01(其中Mg元素过量5％，因为在高温时Mg会容易挥发，进而导致最后得到的样品中的Mg含量就比化学式的要少)研磨均匀后置于氧化铝敞口坩埚中，原料上方覆盖上氧化硼粉末，氧化硼在熔炼温度700℃时，会融化形成一层液体薄膜，覆盖在原料试样上方，阻止了原料试样与外界的接触，起到一个密封作用，尤其是阻止了Mg的氧化和挥发。将原料试样在热处理炉中熔炼(700℃，10h)，取出试样研磨成粉末，在80MPa，1073K真空放电等离子烧结15min，得到Mg2Si0.99Sb0.01块状样品。
以上所述的镁、锌、硅、锑均为99％以上。
性能检测：材料的热导率根据采用TC-1200RH型激光脉冲热分析仪测量的热扩散系数、比热及材料的密度计算得到。材料的塞贝克系数和电导率采用ZEM-2电性能测试仪测得。材料的热电优值根据上述测量结果按公式Z＝α2σ/κ得到。
热电性能测量结果列表
应该强调的是，本发明公开内容的上述实施方式仅仅是实施的可能实施例，并且仅为了清楚地理解本公开内容的原理而被阐述，在基本上不偏离本发明公开内容的精神和原理的情况下，可以对本公开内容的上述实施方式进行很多变化和修改，在这里所有这些修改和变化意图包括在本公开内容的范围内容。

Claims (5)

1.Zn元素掺杂Mg2Si基热电材料，其特征在于：材料的化学组成为MgxZnySi0.99Sb0.01,其中x=1.9~1.925,y=0.075~0.1。
2.Zn元素掺杂Mg2Si基热电材料的制备方法，其包括以下具体步骤：
1）将包含镁、锌、硅和锑的原料试样按化学计量比MgxZnySi0.99Sb0.01研磨均匀，其中x=1.9~1.925,y=0.075~0.1；
2）将步骤1中的原料试样放入热处理炉中进行熔炼；
3）取出步骤2中的原料试样并研磨成粉末，在真空放电等离子烧结 15min，得到3.75%~5%Zn掺杂MgxZnySi0.99Sb0.01块状样品。
3.根据权利要求2所述的 Zn元素掺杂Mg2Si基热电材料的制备方法，其特征在于：所述的镁、锌、硅、锑的纯度均为99%以上。
4.根据权利要求2所述的 Zn元素掺杂Mg2Si基热电材料的制备方法，其特征在于：步骤2中的原料试样在放入热处理炉中进行熔炼之前其上方覆盖有氧化硼粉末。
5.根据权利要求2所述的 Zn元素掺杂Mg2Si基热电材料的制备方法，其特征在于：原料试样在热处理炉中的温度为700oC，时间为10小时。
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