CN108258110A - 一种制备SiGe热电材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种制备SiGe热电材料的方法。该方法按照确定的摩尔比，将Si粉末、Ge粉末、B粉末或P块体混合，在Ar惰性气氛保护条件下装入硬质钢球磨罐，使用行星式球磨机进行球磨合金化得到单相的SiGe热电材料粉末。将单相的SiGe热电材料粉末在1150℃进行放电等离子体烧结成致密块体。本发明的制备SiGe热电材料的方法制备的P型和N型SiGe合金均具有较高的电导率、Seebeck系数及功率因子。本发明的制备SiGe热电材料的方法合成速度快、简便、效率高，应用前景广阔。

Description

一种制备SiGe热电材料的方法
技术领域
本发明属于温差发电领域，具体涉及一种制备SiGe热电材料的方法。
背景技术
热电材料是一种利用Seebeck效应将热能直接转换成电能的能量转换材料。它具有使用寿命长，工作时无振动无噪音，环境适应性强，无需维修维护等优点。目前能源利用过程中，有大量的能量以废热的形式被浪费，如果使用热电材料将工业、汽车尾气等废热回收发电，将提高能源利用率，缓解能源危机。此外，在深空探测领域和深海、地下、南北极等恶劣环境下，由于无阳光，维修更换困难以及温度和辐射等因素限制了太阳能电池和化学电池的使用，利用热电材料发电的放射性同位素温差电池以及空间堆电源成为了理想的电源，而热电材料是其中最关键的组成部分之一。热电材料的功率因子PF=S2σ直接决定了热电器件和发电器的输出功率，其中S和σ分别为Seebeck系数和电导率，一定的结构和尺寸下功率因子越高，输出电功率越大。
SiGe热电材料是目前研究最成熟的高温热电材料，目前SiGe的制备方法包括生长单晶和球磨合金化。生长单晶对工艺等要求较为苛刻，周期较长，且单晶SiGe力学性能差于多晶SiGe。但是，目前的球磨合金化SiGe热电材料生产效率低，生产成本高，亟需发展一种高效、低成本的制备SiGe热电材料的方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种制备SiGe热电材料的方法。
本发明的制备SiGe热电材料的方法包括以下步骤：
a. 配料，称量摩尔比为0.795:0.2的Si和Ge粉末，再加入摩尔比为0.005的B粉末或P块体材料中的一种，得到原材料；
b. 装罐，将步骤a的所述的原材料在Ar气保护手套箱中装入球磨罐并密封，得到密封后的球磨罐；所述的球磨罐中的原材料和球磨球的质量比为5:400、10:400或20:400；所述的球磨罐为市售的硬质钢球磨罐，所述的球磨球为市售的硬质钢球磨球；
c. 球磨，将步骤b所述的密封后的球磨罐放入行星式球磨机进行球磨合金化，获得单相的SiGe热电材料粉末；
d. 烧结，使用放电等离子体将步骤c获得的单相的SiGe热电材料粉末烧结成型。
所述的步骤c的行星式球磨机的旋转速率为400rpm，球磨方式按照先正转球磨10min，再停歇10min，最后反转球磨10min的过程循环操作，直至得到单相的SiGe热电材料粉末。
所述的步骤d的烧结温度为1150℃，压力为60MPa，时间为3min。
利用本发明的制备SiGe热电材料的方法制备P型材料时加入B粉末，制备N型材料时加入P块体材料。
本发明的制备SiGe热电材料的方法在Ar气气氛中密封球磨罐可以保证球磨过程中罐内为Ar气，防止材料发生氧化。球磨罐和球磨球均为硬质钢，硬质钢的材质硬度高、密度大，能够在球磨过程中对粉末原料提供较大的撞击力。球磨罐中的原材料和球磨球的质量比小，有助于原材料快速发生合金化。
本发明的制备SiGe热电材料的方法采用放电等离子体烧结，具有升、降温速度快，所需保温时间短，制得材料致密度高，可快速使SiGe粉末成型，防止颗粒尺寸长大的优点。
本发明的制备SiGe热电材料的方法可快速简便的合成N型和P型SiGe高温热电材料，在0.5h~2h内可制备出单相P型和N型SiGe纳米材料，3min即可烧结得到块体材料，相对密度可达到97%。所得到的SiGe热电材料导电性好，Seebeck系数高，功率因子高，P型材料的功率因子在室温~900℃可达到1~1.6mWm-1K-1，N型材料的功率因子在室温~900℃可达到1~2.5mWm-1K-1，具有优异的热电性能。
本发明的制备SiGe热电材料的方法是一种快速简便制备P型和N型SiGe热电材料的方法，具有市场应用潜力。
附图说明
图1为P型Si0.795Ge0.2B0.005材料的扫描电镜照片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
1.配料，P型Si0.795Ge0.2B0.005材料配料：分别称量Si粉末6.049g，Ge粉末3.936g，B粉末0.0146g，放入研钵中研磨混合，得到原材料Ⅰ；N型Si0.7925Ge0.2P0.0075材料配料：分别称量Si粉末6.0127g，Ge粉末3.9245g，P块体0.06275g放入研钵中研磨混合，得到原材料Ⅱ。
2.装罐，将原材料Ⅰ和原材料Ⅱ分别转移至两个硬质钢球磨罐中，每罐加入400g硬质钢球磨球。将球磨罐在Ar气气氛保护手套箱中密封后取出。
3.球磨，将球磨罐放在行星式球磨机中，转速400rpm，先正转球磨10min，再停歇10min，最后反转球磨10min的过程循环操作，球磨1小时后分别得到单相的P型SiGe热电材料粉末和单相的N型SiGe热电材料粉末。
4.烧结，将单相的P型SiGe热电材料粉末和单相的N型SiGe热电材料粉末取出，称取单相的P型SiGe热电材料粉末或单相的N型SiGe热电材料粉末1.6克装入直径15mm的放电等离子体烧结模具进行放电等离子体烧结，烧结工艺为1150℃，60MPa，3min，得到直径15mm，厚度约为3mm的块体材料，密度为3g/cm3，约为理论密度的97%。球磨1小时后，得到的P型Si0.795Ge0.2B0.005材料的扫描电镜照片如图1所示。
本发明的制备SiGe热电材料的方法制备出的P型和N型SiGe热电材料均具有优异的热电性能。P型SiGe热电材料的电导率在室温可达到550Scm-1，随着温度升高至900℃电导率降低至125 Scm-1，Seebeck系数约为135~225μVK-1，在室温至900℃温度区间内功率因子可达到1.0~1.54mWm-1K-1；N型SiGe热电材料的电导率在室温可达到1000 Scm-1，随着温度升高至900℃，电导率降低至500 Scm-1，在室温至900℃温度区间内功率因子可达到1.9~2.36mWm-1K-1，可用于制备高温热电器件。
其余实施例与实施例1的实施方式基本相同，主要区别见表1。
本发明不局限于上述具体实施方式，所属技术领域的技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。
表1 各实施例原材料和球磨球的质量比及球磨时间

Claims (4)

1.一种制备SiGe热电材料的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
a.配料，称量摩尔比为0.795:0.2的Si和Ge粉末，再加入摩尔比为0.005的B粉末或P块体材料中的一种，得到原材料；
b.装罐，将步骤a的所述的原材料在Ar气保护手套箱中装入球磨罐并密封，得到密封后的球磨罐；所述的球磨罐中的原材料和球磨球的质量比为5:400、10:400或20:400；
c.球磨，将步骤b所述的密封后的球磨罐放入行星式球磨机进行球磨合金化，获得单相的SiGe热电材料粉末；
d.烧结，使用放电等离子体将步骤c获得的单相的SiGe热电材料粉末烧结成型。
2.根据权利要求1所述的制备SiGe热电材料的方法，其特征在于：所述的步骤c的行星式球磨机的旋转速率为400rpm，球磨方式按照先正转球磨10min，再停歇10min，最后反转球磨10min的过程循环操作，直至得到单相的SiGe热电材料粉末。
3.根据权利要求1所述的制备SiGe热电材料的方法，其特征在于：所述的步骤d的烧结温度为1150℃，压力为60MPa，时间为3min。
4.根据权利要求1所述的制备SiGe热电材料的方法，其特征在于：所述的球磨罐为市售的硬质钢球磨罐，所述的球磨球为市售的硬质钢球磨球。
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