CN109487106B - 快速制备Mg2(Si0．5Sn0．5)1-ySby（0≤y≤0．025）的方法 - Google Patents

快速制备Mg2(Si0．5Sn0．5)1-ySby（0≤y≤0．025）的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种快速制备Mg2(Si0.5Sn0.5)1‑ ySby材料的方法，它包括以下步骤：1)以Mg粉、Si粉、Sn粉和Sb粉作为原料，按化学计量比进行称量，然后将它们研磨混合均匀得到反应物；2）将步骤1）所述反应物进行冷压成型；3）将步骤2）中得到的冷压块体在恒温炉中引发热爆反应，反应完成后取出，可得到单相Mg2(Si0.5Sn0.5)1‑ySby材料；4）将步骤3）所得单相材料研磨成粉，进行放电等离子体（SPS）烧结，可以得到致密的单相Mg2(Si0.5Sn0.5)1‑ySby块体材料。采用该方法，可在1min反应得到所需单相产物，15min内可得到单相的致密块体。本发明具有反应速度快、设备简单、重复性好和高效节能等优点。

Description

快速制备Mg2(Si0．5Sn0．5)1-ySby（0≤y≤0．025）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Mg2(Si0.5Sn0.5)1- ySby（0≤y≤0.025）材料的方法。
背景技术
全球自然环境的破坏，以及各国不可再生的化石能源的消耗，已经为世人敲响了沉重的警钟。可持续发展战略的提出，无疑是顺应当下现实发展需求一个前瞻性成果。为了减轻环境破坏与能源消耗的负担，全球很多科学工作者正在将其注意力集中在寻找和开发可再生的新能源上。
热电转换技术能够通过热电材料的Seebeck效应和Peltier效应实现电能和热能之间的直接的相互的转换，其作为一种环境友好型的能源转换技术在工业余热及废热，汽车废气等方面有着重要的应用前景。同时它还具有无传动部件、体积小、无噪音、可靠性好等优点。热电材料的转换效率主要由热电优值ZT决定，ZT =α 2 Tσ/κ，其中α为Seebeck系数、σ为电导率、κ为热导率、T为绝对温度。
Mg2Si1-xSnx基体系的热电材料，具有优异的电性能和较低的热导率，因而具有较高的ZT值。同时，其拥有原料蕴藏丰富、价格低廉、无毒和无污染等优点。
目前，制备Mg2Si1-xSnx基热电材料的方法主要采用熔融法、机械合金化法和固相反应法。然而，组成元素较大的熔点差异，Mg的熔点649℃，Si的熔点1414℃，Sn的熔点232℃以及Mg的高饱和蒸汽压和强反应活性（对玻璃管腐蚀相当严重），使得熔融法并不能获得组成的精确控制（Mg的挥发和氧化等）。机械合金化法容易发生原料粘附研磨球和研磨罐，同时容易引入杂质和氧化。低温固相反应，虽然较好地改善了Mg的挥发损失，但是反应耗时较长。因此，一种简单快捷、能耗少、重复性好的合成方法对于制备Mg2Si1-xSnx基热电材料来说，显得非常重要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种快速制备Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）材料的方法，具有反应速度快、工艺简单、重复性好和高效节能等优点。
本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：
一种快速制备Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）材料的方法，它包括以下步骤：
1) 以Mg粉、Si粉、Sn粉和Sb粉作为原料，按化学计量比（Mg过量5%）进行称量，然后将它们研磨混合均匀得到反应物；
2）将步骤1）所述反应物进行冷压成型（圆柱状）；
3）将步骤2）中得到的冷压块体放在BN坩埚内并真空密封于玻璃管中，再将其置于高温恒温炉中，引发热爆反应（TER，Thermal Explosion Reaction），反应完成后取出，可得到单相Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）材料；
4）将步骤3）所得块体研磨成粉，进行SPS烧结，可以得到致密的单相Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）块体材料。
上述方案中，所述步骤1）中Mg粉、Si粉、Sn粉和Sb粉的质量纯度均≧99.9%。
上述方案中，所述步骤2）中所述反应物为冷压成型的圆柱状块体。
上述方案中，所述步骤3）中热爆反应采用恒温炉将压坯放入BN坩埚并真空密封于玻璃管中进行整体加热促发热爆反应，炉温及反应时间为：900℃和1min。
上述方案中，所述步骤4）中将步骤3）所得单相材料进行SPS烧结，烧结工艺为升温速率100℃/min，在680℃下保温6min。
通过上述方案，可以在1min内能够得到所需单相Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）材料，在15min内可以得到致密的单相Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）块体材料。
以上述内容为基础，在不脱离本发明基本技术思想的前提下，根据本领域的普通技术知识和手段，对其内容还可以有多种形式的修改、替换或变更，如热爆反应时间可以在1~2min左右范围内浮动，恒温炉温度可以在900℃~1000℃左右范围内浮动。
本发明对起始原料提供必要的能量以诱发热爆反应，热爆反应瞬间释放大量热，在很短时间内促发整体反应，反应结束后形成所需的Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）材料。
与现有的Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）制备方法相比，本发明的优点为：
第一，本发明首次采用热爆反应制备了单相的Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）材料，具有反应速度快、设备简单和重复性好等优点。
第二，原材料地壳蕴藏丰富，成本低廉。本发明主要采用Mg粉、Si粉和Sn粉，环境友好，价格低廉。
附图说明
图1为实施例1中步骤3）和步骤4）得到的热爆反应后和SPS烧结后的XRD图谱；图2（a）和（b）是实施例1中步骤4）得到的SPS烧结后块体断裂面微观结构的SEM图（（a）和（b）分别放大2.00 k倍和10.00 k倍）。从图1可以看出，所得产物均为单相Mg2Si0.5Sn0.5材料；从图2可以看出，烧结后块体晶粒结合紧密，无夹杂相，界面干净无明显第二相。
图3为实施例2中步骤3）和步骤4）得到的热爆反应后和SPS烧结后的XRD图谱；图4（a）和（b）是实施例2中步骤4）得到的SPS烧结后块体断裂面微观结构的SEM图（（a）和（b）分别放大2.00 k倍和10.00 k倍）。从图3可以看出，所得产物均为单相Mg2(Si0.5Sn0.5)0.98Sb0.02材料；从图4可以看出，烧结后块体晶粒结合紧密，无夹杂相，界面干净无明显第二相。
图5为实施例1和实施例2中步骤3）和步骤4）得到的y=0和y=0.02样品在热爆反应后和SPS烧结后的XRD图谱。从图5可以看出，所得产物为单相Mg2Si0.5Sn0.5 和Mg2(Si0.5Sn0.5)0.98Sb0.02材料。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施例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。
下述实施例中Mg粉、Si粉、Sn粉和Sb粉的质量纯度均≧99.9%。
实施例1
制备Mg2Si0.5Sn0.5材料，包括以下步骤：
1) 以Mg粉、Si粉和Sn粉作为原料，按化学计量比（Mg过量5%）进行称量，然后将它们研磨混合均匀得到反应物，总质量为6g；
2）将步骤1）所述反应物进行冷压成型（φ=10mm圆柱状），冷压工艺为：8MPa，保压10min；
3）将步骤2）中得到的冷压块体放在BN坩埚内并真空密封于玻璃管中，再将其置于900℃恒温炉中保温1min；
4）将步骤3）所得块体研磨成粉，进行SPS烧结，烧结工艺为：升温速率100℃/min，在680℃下保温6min。
图1为实施例1中步骤3）和步骤4）得到的热爆反应后和SPS烧结后的XRD图谱；图2（a）和（b）是实施例1中步骤4）得到的SPS烧结后块体断裂面微观结构的SEM图（（a）和（b）分别放大2.00 k倍和10.00 k倍）。
实施例2
制备Mg2(Si0.5Sn0.5)0.98Sb0.02材料，包括以下步骤：
1) 以Mg粉、Si粉、Sn粉和Sb粉作为原料，按化学计量比（Mg过量5%）进行称量，然后将它们研磨混合均匀得到反应物，总质量为6g；
2）将步骤1）所述反应物进行冷压成型（φ=10mm圆柱状），冷压工艺为：8MPa，保压10min；
3）将步骤2）中得到的冷压块体放在BN坩埚内并真空密封于玻璃管中，再将其置于900℃恒温炉中保温1min；
4）将步骤3）所得块体研磨成粉，进行SPS烧结，烧结工艺为：升温速率100℃/min，在680℃下保温6min。
图3为实施例2中步骤3）和步骤4）得到的热爆反应后和SPS烧结后的XRD图谱；图4（a）和（b）是实施例2中步骤4）得到的SPS烧结后块体断裂面微观结构的SEM图（（a）和（b）分别放大2.00 k倍和10.00 k倍）。

Claims (3)

1.一种快速制备Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）的方法，其特征在于它包括以下步骤：
1) 以Mg粉、Si粉、Sn粉和Sb粉作为原料，按化学计量比进行称量，其中Mg过量5%，然后将它们研磨混合均匀得到反应物；Mg粉、Si粉、Sn粉和Sb粉的质量纯度均≧99.9%；
2）将步骤1）所述反应物为冷压成型的块体；
3）将步骤2）所得冷压块体放在BN坩埚内并真空密封于玻璃管中，再将其置于高温恒温炉中，引发热爆反应，炉温和反应时间分别为：900-1000℃和1-2min，反应完成后取出，可得到单相Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）材料；
4）将步骤3）所得块体研磨成粉，进行SPS烧结，烧结工艺为升温速率100℃/min，在680℃下保温6min，得到致密的单相Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）块体材料。
2.根据权利要求1所述的快速制备Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）的方法，其特征在于所述步骤2）冷压成型工艺为：8MPa下保压10min，得到圆柱状冷压块体。
3.根据权利要求1所述的快速制备Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）的方法，其特征在于，在很短的1min时间内能够得到所需单相Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）材料，在15min内可以得到致密的单相Mg2(Si0.5Sn0.5)1-ySby（0≤y≤0.025）块体材料。
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