CN106145062B - 一种快速制备碲化锑热电材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种快速制备Sb2Te3热电材料的方法，包括以下步骤：1)根据Sb2Te3中各元素的化学计量比称取Sb粉和Te粉，然后进行研磨混合均匀，得混合原料；2)将步骤1)所得的混合原料进行放电等离子活化烧结，得致密的单相Sb2Te3热电材料。本发明具有反应速度快、高效节能和重复性好等优点，具有很好的应用前景。

Description

一种快速制备碲化锑热电材料的方法
技术领域
本发明属于新能源材料制备技术领域，具体涉及一种快速制备碲化锑热电材料的方法。
背景技术
近年来，人口急速膨胀，工业迅猛发展，能源和环境问题逐渐凸显，对环境友好型可再生的新能源的研究开发与应用已经成为全世界共同关注的焦点。各国科学家都在致力于寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式，以达到合理有效利用工业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等能量的目的。自上个世纪九十年代以来，热电转换材料的研究成为材料科学的一个研究热点。
热电材料又叫温差电材料，是一类利用材料的Seebeck效应和Pieter效应实现电能与热能之间相互转换的功能材料，主要应用于热电发电和热电制冷等领域。与传统发电机和制冷设备相比，半导体温差发电器和制冷器具有结构简单、不需要使用传动部件、工作时无噪音、无排弃物、对环境无污染等特点，且这种材料性能可靠，使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环境友好材料。
(Bi，Sb)2(Te，Se)3材料是目前商业化应用较好的热电材料，在室温下其热电优值高达1，其主要的制备方法为熔融法、区熔法、机械合金化、熔体旋甩法和低温湿化学法等。其中，熔融法和区熔法具有组成控制难度大、制备周期长、耗时、耗能等问题；机械合金化方法具有易引入杂质的问题；熔体旋甩法具有难以批量化生产的问题；化学法具有产率低、难以控制组成等问题。
因此开发一种快速简便易于控制组成且适合规模化生产的方法对于Sb2Te3基热电材料的商业化应用至关重要，也是热电材料研究中的重要课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种快速制备单相的碲化锑热电材料的方法，该方法工艺简单，制备周期短，能耗低、重复性好，适合规模化生产。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种快速制备碲化锑热电材料的方法，包括以下步骤：
1)根据Sb2Te3中各元素的化学计量比称取Sb粉和Te粉，然后进行研磨混合均匀，得混合原料；
2)将步骤1)所得的混合原料进行放电等离子活化烧结，自然冷却，得所述碲化锑热电材料。
上述方案中，所述放电等离子活化烧结工艺为：首先在真空度小于10Pa和不加烧结压力的条件下，以60～80℃/min的升温速率加热至380～410℃，保温10～15min，然后加压到30～40MPa，继续保温烧结5～10min。
上述方案中，所述步骤1)中Sb粉和Te粉的纯度均≥99.9wt％，粒径≤200目。
根据上述制备方法，本发明在20min内可以制得致密的单相碲化锑热电材料，热电性能优值ZT在600K时达到0.42。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1.本发明首次采用等离子活化烧结工艺一步制得致密的单相Sb2Te3块体热电材料，具有反应速度快、能耗低、重复性好等优点，适合推广应用。
2.本发明采用放电等离子活化烧结工艺，首先在不加烧结压力的条件下加热升温，有效避免低熔点Te发生挥发，并使原料中的Sb和Te原子得到充分扩散；然后在烧结压力下，进一步保温烧结，使原料充分反应并实现产物的致密化烧结，得致密的单相Sb2Te3块体热电材料。
3.本发明可在20min内制得致密的单相Sb2Te3块体热电材料，热电性能优值ZT在600K时可达0.42。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明，附图中：
图1为实施例1制得的碲化锑热电材料的XRD图谱。
图2为实施例2制得的碲化锑热电材料的XRD图谱。
图3为实施例3制得的碲化锑热电材料的XRD图谱。
图4为对比例1制得的碲化锑基热电材料的XRD图谱。
图5为对比例2制得的碲化锑基热电材料的XRD图谱。
图6为对比例3制得的碲化锑基热电材料的XRD图谱。
图7为实施例1制得的碲化锑热电材料断面的FESEM照片。
图8为对比例3制得的碲化锑基热电材料断面的FESEM照片。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例和附图进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
以下实施例中，如无具体说明，所述的试剂均为市售化学试剂或工业产品。
所述的Sb粉和Te粉的纯度均≥99.9wt％，粒径≤200目。
实施例1
一种快速制备碲化锑热电材料的方法，其制备方法包括以下步骤：
1)根据Sb2Te3中各元素的化学计量比称取Sb粉和Te粉，总质量为4g，然后进行研磨混合均匀，得混合原料；
2)将步骤1)所得的混合原料进行放电等离子活化烧结，具体过程为：将混合原料装入内径为16mm的石墨模具中压实，然后在真空度小于10Pa和不加烧结压力的条件下，以60℃/min的升温速率加热至400℃，保温10min，然后迅速加压到30MPa，保温烧结10min，得致密的单相碲化锑(Sb2Te3)热电材料。
将本实施例所得产物进行X射线衍射分析，结果见图1，图中除存在Sb2Te3的特征峰外，基本没有其他相的特征峰，说明所得产物为单相的Sb2Te3。图7为本实施例所得产物的断面FESEM照片，从FESEM照片上基本看不到第二相的存在，进一步说明本实施例制得的为纯单相Sb2Te3。
实施例2
一种快速制备碲化锑热电材料的方法，其制备方法包括以下步骤：
1)根据Sb2Te3中各元素的化学计量比称取Sb粉和Te粉，总质量为4g，然后进行研磨混合均匀，得混合原料；
2)将步骤1)所得的混合原料进行放电等离子活化烧结，具体过程为：将混合原料装入内径为16mm的石墨模具中压实，然后在真空度小于10Pa和不加烧结压力的条件下，以70℃/min的升温速率加热至410℃，保温10min，然后迅速加压到30MPa，保温烧结10min，得致密的单相碲化锑(Sb2Te3)热电材料。
图2为本实施例所得产物的XRD图谱，图中说明所得产物中除含Sb2Te3相外，基本没有其他的相，说明本实施例所得产物为单相的Sb2Te3热电材料。
实施例3
一种快速制备碲化锑热电材料的方法，其制备方法包括以下步骤：
1)根据Sb2Te3中各元素的化学计量比称取Sb粉和Te粉，总质量为4g，然后进行研磨混合均匀，得混合原料；
2)将步骤1)所得的混合原料进行放电等离子活化烧结，具体过程为：将混合原料装入内径为16mm的石墨模具中压实，然后在真空度小于10Pa和不加烧结压力的条件下以60℃/min的升温速率加热至380℃，保温15min，然后迅速加压到40MPa，保温烧结5min，得致密的单相碲化锑(Sb2Te3)热电材料。
图3为本实施例所得产物的XRD图谱，图中说明所得产物中除含Sb2Te3相外，基本没有其他的相，说明本实施例所得产物为单相的Sb2Te3热电材料。
对比例1
一种快速制备碲化锑基热电材料的方法，其制备方法包括以下步骤：
1)根据Sb2Te3中各元素的化学计量比称取Sb粉和Te粉，总质量为4g，然后进行研磨混合均匀，得混合原料；
2)将步骤1)所得的混合原料进行放电等离子活化烧结，具体过程为：将混合原料装入内径为16mm的石墨模具中压实，然后在真空度小于10Pa和烧结压力为30MPa条件下，以60℃/min的升温速率加热至300℃，保温10min，得Sb2Te3基热电材料。
图4为采用上述方法所得产物的XRD图谱，图中除含有Sb2Te3相外，还含有Sb和Te相，说明烧结温度偏低，Sb和Te反应不完全。
对比例2
一种快速制备碲化锑基热电材料的方法，其制备方法包括以下步骤：
1)根据Sb2Te3中各元素的化学计量比称取Sb粉和Te粉，总质量为4g，然后进行研磨混合均匀，得混合原料；
2)将步骤1)所得的混合原料进行放电等离子活化烧结，具体过程为：将混合原料装入内径为16mm的石墨模具中压实，然后在真空度小于10Pa和烧结压力为30MPa条件下，以70℃/min的升温速率加热至350℃，保温10min，得Sb2Te3基热电材料。
图5为采用上述方法所得产物的XRD图谱，图中除含有Sb2Te3相外，还含有Sb相，说明在烧结过程中部分低熔点的Te发生了挥发。
对比例3
一种快速制备碲化锑基热电材料的方法，其制备方法包括以下步骤：
1)根据Sb2Te3中各元素的化学计量比称取Sb粉和Te粉，总质量为4g，然后进行研磨混合均匀，得混合原料；
2)将步骤1)所得的混合原料进行放电等离子活化烧结，具体过程为：将混合原料装入内径为16mm的石墨模具中压实，然后在真空度小于10Pa和烧结压力为30MPa条件下，以60℃/min的升温速率加热至400℃，保温10min，得Sb2Te3基热电材料。
图6为采用上述方法所得产物的XRD图谱，图中除含有Sb2Te3相外，还含有Sb相，说明在烧结过程中部分低熔点的Te发生了挥发；图8为所得产物的FESEM照片，从照片上也可以看出有第二相存在。
上述结果表明，本发明所述方法可以有效避免因烧结温度过低导致的烧结不完全和因烧结压力过大使低熔点Te发生挥发的问题。该方法在20min内即可制得致密的单相碲化锑热电材料，解决了传统烧结方法无法快速制备单相碲化锑基热电材料的问题。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，做出若干改进和变换，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种快速制备碲化锑热电材料的方法，其特征在于，它包括以下步骤：
1)根据Sb2Te3中各元素的化学计量比称取Sb粉和Te粉，然后进行研磨混合均匀，得混合原料；
2)将步骤1)所得的混合原料进行放电等离子活化烧结，自然冷却，得所述碲化锑热电材料；
所述放电等离子活化烧结工艺为：首先在真空度小于10Pa和不加烧结压力的条件下，以60～80℃/min的升温速率加热至380～410℃，保温10～15min，然后加压到30～40MPa，继续保温烧结5～10min。
2.根据权利要求1所述的快速制备碲化锑热电材料的方法，其特征在于，所述步骤1)中Sb粉和Te粉的纯度均≥99.9wt％，粒径≤200目。
3.根据权利要求1所述的快速制备碲化锑热电材料的方法，其特征在于，在20min内可以制得致密的单相碲化锑热电材料。
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