CN112158811A - 一种碲化锑热电材料的激光3d打印合成制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碲化锑热电材料的激光3D打印合成制备方法，它以Sb和Te单质为原料，混合均匀后，铺一层0.05mm到2mm厚度的粉床，在惰性气体保护下，激光打印成需要的形状。本发明制备的Sb2Te3块体致密度在90％以上，且涉及的制备时间短，热电性能高。与现有技术相比，本发明通过同步热分析模拟3D打印合成过程中的相转变机理，进而在短时间内得到高热电性能的Sb2Te3化合物材料。

Description

一种碲化锑热电材料的激光3D打印合成制备方法
技术领域
本发明属于热电材料合成制备领域，特别涉及一种碲化锑热电材料的激光3D打印合成制备方法。
背景技术
过度能源消耗和日益严重的环境问题引起了广泛的关注，消耗的能源中约有超过一半以废热的形式浪费了，如果能有效回收废热，将对能源短缺和环境污染产生积极影响。热电技术能够实现热能到电能的直接转换，且具有无噪声、无污染、体积小等优点。在工业余热发电、内燃机尾气回收发电、体温回收等方面具有巨大应用前景。热电材料的性能由无量纲热电优值衡量，ZT＝S2σT/k，S为塞贝克系数，σ为电导率，T为绝对温度，k为热导率。ZT值越大，热电材料的性能越好。
化合物Sb2Te3是一种室温附近优异热电材料。现阶段，碲化锑Sb2Te3的合成方法主要为区熔、机械合金化、溶剂热、水热法等，这些常规方法合成制备Sb2Te3热电材料需要较长的合成时间、复杂的化学反应过程、使用有毒化学试剂。更重要的是，常规合成方法制备的材料Sb2Te3，在制造热电器件时，需要切割，焊接、组装等工艺，不可避免地造成原材料浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碲化锑热电材料的激光3D打印合成制备方法，以解决上述问题。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种碲化锑热电材料的激光3D打印合成制备方法，包括以下步骤：
步骤1，称取Sb粉和Te粉，然后将粉末放入陶瓷球磨罐，再放入氧化锆磨球，装入球磨机进行球磨；
步骤2，在惰性气体保护下，将混合均匀的粉末铺一层粉床；
步骤3，采用的激光3D打印设备对粉床打印合成制备碲化锑块体热电材料。
进一步的，步骤1中，Sb粉和Te粉按(2～2.1)：(3～3.1)的摩尔比例称重共600g；氧化锆磨球的个数为三个，一个直径为15.5mm，两个直径为10mm。
进一步的，步骤1中，球磨机转速160rpm，正转30min，间隔1min，接着反转30min，混合时间共5小时。
进一步的，步骤2中，混合均匀的粉末在不锈钢基底上铺一层2mm厚的粉床，在气压为1.5到2.0KPa的高纯氩气环境下打印合成。
进一步的，采用的激光3D打印设备型号为SLM 150，光纤激光器的最大功率IPG-400W为400W，波长为1064nm，光斑直径为80μm。
进一步的，激光功率范围为60～100W，扫描速度范围为200～300mm/s，扫描间距范围为0.05mm～0.08mm。
与现有技术相比，本发明有以下技术效果：
本发明利用了激光的高能量密度和3D打印的高加热与冷却速率优势，使得本发明的制备工艺简单、直接打印合成所需形状、适宜规模化生产。
本发明能快速合成出致密度超过90％的Sb2Te3块体热电材料，在材料制备科学、器件制造技术及商业化应用领域具有重要意义。
附图说明
图1为激光3D打印合成制备的Sb2Te3块体实物图。
图2为激光3D打印合成制备的Sb2Te3块体SEM和EDS图。
图3为激光3D打印合成制备的Sb2Te3块体EBSD图。
图4为激光3D打印合成制备的Sb2Te3块体TEM和EDS图。
图5为不同激光3D打印工艺参数合成制备Sb2Te3块体XRD图。
图6为不同激光3D打印工艺参数合成制备Sb2Te3块体的电导率和塞贝克系数随温度变化关系。
图7为不同激光3D打印工艺参数合成制备Sb2Te3块体的功率因子随温度变化关系。
图8为不同激光3D打印工艺参数合成制备Sb2Te3块体的热导率和晶格热导率随温度变化关系。
图9为不同激光3D打印工艺参数合成制备Sb2Te3块体的无量纲热电优值随温度变化关系。
具体实施方式
以下结合附图对本发明进一步说明：
本发明激光3D打印快速合成制备Sb2Te3热电材料，它以Sb和Te单质为原料，混合均匀后，铺一层粉床，在惰性气体保护下，激光打印成需要的形状。
上述方案中，所述铺一层0.05mm到2mm厚度的粉床，在惰性气体保护下，光斑直径为100μm以下的激光器3D打印合成制备Sb2Te3块体热电材料。
上述方案中，所述的单质Sb和Te之间的摩尔比为(2～2.1)：(3～3.1)。
上述方案中，所述的Sb2Te3块体激光3D打印快速合成方法，其特征在于，激光功率范围为60～100W，扫描速度范围为200～300mm/s，扫描间距范围为0.05mm～0.08mm。
上述方案中，所述的Sb2Te3块体激光3D打印快速合成方法，其特征在于，在250℃温度条件下，Sb2Te3块体热电材料的最大热电优值ZT＝0.4。
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。
以下实施例中，采用的Sb粉和Te粉均为市售产品，纯度均为99.999％。
激光3D打印快速合成制备热电材料，具体步骤如下：
(1)将Sb粉和Te粉按2:3的摩尔比例精确称重共600g，然后将粉末放入陶瓷球磨罐，再放入一个直径为15.5mm和两个直径为10mm的氧化锆磨球，装入行星球磨机，转速160rpm，正转30min，间隔1min，接着反转30min，混合时间共5小时。
(2)采用的激光3D打印设备为汉邦科技有限公司生产的SLM 150，光纤激光器的最大功率(IPG-400W)为400W，波长为1064nm，光斑直径为80μm。
(3)混合均匀的粉末在不锈钢基底上铺一层2mm厚的粉床，在气压为1.5到2.0KPa的高纯氩气环境下打印合成。
(4)样品1的打印工艺参数为激光功率为60W，扫描速度为200mm/s，扫描间距为0.05mm，样品2的打印工艺参数为激光功率为100W，扫描速度为200mm/s，扫描间距为0.05mm，样品3的打印工艺参数为激光功率为100W，扫描速度为300mm/s，扫描间距为0.05mm，三个样品的扫描策略为正交扫描。
图1为激光3D打印合成制备的Sb2Te3块体实物图，直观上可以看出打印合成的样品具有良好的金属光泽。
图2为激光3D打印合成制备的Sb2Te3块体SEM和EDS图，所得块体材料在微米尺度内具有很好的均匀性。
图3为激光3D打印合成制备的Sb2Te3块体EBSD图，可以看出打印合成的块体材料具有一定程度的织构，织构有利于热电性能的提高。
图4为激光3D打印合成制备的Sb2Te3块体TEM和EDS图，所得块体材料在纳米尺度内具有很好的均匀性。
图5为不同激光3D打印工艺参数合成制备Sb2Te3块体XRD图，可以看出三种不同打印合成工艺的材料的XRD图谱与Sb2Te3块体的标准XRD图能够很好地符合，说明打印合成的Sb2Te3块体具有很好的均匀性。
图6为不同激光3D打印工艺参数合成制备Sb2Te3块体的电导率和塞贝克系数随温度变化关系，可以看出打印合成的Sb2Te3块体具有和其单晶接近的电导率和较高的塞贝克系数。
图7为不同激光3D打印工艺参数合成制备Sb2Te3块体的功率因子随温度变化关系，样品1在50℃时达到峰值功率因子，其值为19.17μW/cm-K2。
图8为不同激光3D打印工艺参数合成制备Sb2Te3块体的热导率和晶格热导率随温度变化关系。
图9为不同激光3D打印工艺参数合成制备Sb2Te3块体的无量纲热电优值随温度变化关系，样品1在250℃达到最大热电优值，其值为0.4。
本发明制备的Sb2Te3块体致密度在90％以上，且涉及的制备时间短，热电性能高。与现有技术相比，本发明通过同步热分析模拟3D打印合成过程中的相转变机理，进而在短时间内得到高热电性能的Sb2Te3化合物材料。

Claims (6)

1.一种碲化锑热电材料的激光3D打印合成制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，称取Sb粉和Te粉，然后将粉末放入陶瓷球磨罐，再放入氧化锆磨球，装入球磨机进行球磨；
步骤2，在惰性气体保护下，将混合均匀的粉末铺一层粉床；
步骤3，采用的激光3D打印设备对粉床打印合成制备碲化锑块体热电材料。
2.根据权利要求1所述的一种碲化锑热电材料的激光3D打印合成制备方法，其特征在于，步骤1中，Sb粉和Te粉按(2～2.1)：(3～3.1)的摩尔比例称重共600g；氧化锆磨球的个数为三个，一个直径为15.5mm，两个直径为10mm。
3.根据权利要求1所述的一种碲化锑热电材料的激光3D打印合成制备方法，其特征在于，步骤1中，球磨机转速160rpm，正转30min，间隔1min，接着反转30min，混合时间共5小时。
4.根据权利要求1所述的一种碲化锑热电材料的激光3D打印合成制备方法，其特征在于，步骤2中，混合均匀的粉末在不锈钢基底上铺一层2mm厚的粉床，在气压为1.5到2.0KPa的高纯氩气环境下打印合成。
5.根据权利要求1所述的一种碲化锑热电材料的激光3D打印合成制备方法，其特征在于，采用的激光3D打印设备型号为SLM 150，光纤激光器的最大功率IPG-400W为400W，波长为1064nm，光斑直径为80μm。
6.根据权利要求1所述的一种碲化锑热电材料的激光3D打印合成制备方法，其特征在于，激光功率范围为60～100W，扫描速度范围为200～300mm/s，扫描间距范围为0.05mm～0.08mm。
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