CN112538579A - 一种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及新能源材料领域，具体涉及一种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法，采用Ce、Fe和Sb为初始原料，按化学计量比CeFe4Sb12称量后手工混合均匀；将混合好的粉末置于干净的石墨坩埚中，在真空条件下将石墨坩埚密封于石英管中，得到石英安瓿；将得到的石英安瓿置于高温炉中，缓慢升温至1000～1150℃，真空熔融后熔体在油中淬火，铸锭再次密封在石英管中，退火后将得到的退火样品手工研磨，得到粉末；将得到的粉末采用放电等离子体烧结法于真空下烧结得到p型Ce填充铁基方钴矿化合物热电材料，这种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法，优化了p型填充方钴矿材料的淬火温度保证良好的烧结致密度、较低的热导率前提下减少杂质相的形成。

Description

一种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法
技术领域
本发明涉及新能源材料领域，具体涉及一种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法。
背景技术
热电材料是一种可以实现热能和电能直接相互转换的新能源材料，可用于发电和制冷。用热电材料制造的热电器件是一种全固态的能源转换装置，具备其他能源转换装置没有的众多优点，如体积小，结构简单，无噪音，可靠性高，寿命长，环境友好和适用温度范围广等，在航天、军事、医学和微电子等领域具有重要的作用。
热电材料的性能由无量纲优值ZT综合表征，ZT值越大，一定温差下材料的热电转换效率越高。ZT值与材料的Seebeck系数、电导率和热导率有关。好的热电材料要具有高的电导率和Seebeck系数以及较低的热导率。根据热电材料的适用温度，人们将热电材料分为以Bi2Te3为代表的低温热电材料、以PbTe为代表的中温热电材料和以SiGe为代表的高温热电材料。在这些热电材料体系中，方钴矿由于其优异的电输运性能而被公认为中温区最具应用前景的热电材料。上世纪50年代，前苏联的研究者就已对方钴矿及其合金的性能以及在热电领域的应用进行了详细且系统的研究。他们研究发现二元方钴矿的电性能较好，但热导率较高，导致ZT值很低。由于方钴矿独特的二十面体空隙晶体结构，学者们提出了在其空隙中引入其他原子形成填充式方钴矿化合物，填充原子较小的离子半径以及其与邻近原子的结合较弱能够在晶格中产生局域扰动强烈共振散射声子，导致晶格热导率显著降低；其次，引入的填充原子能够调节和优化载流子特性进而优化电性能。因而，填充方钴矿具有较好的综合热电性能。
与n型填充方钴矿材料相比，单相p型填充方钴矿材料制备较难。因为p型填充方钴矿材料制备过程中或多或少的会出现难以消除的杂质相(电子缺失的Fe4Sb12通常情况下不能稳定存在)，这是导致其热电性能较差的一个原因。因此，制备过程中减少p型填充方钴矿材料中的杂质相是提高其热电输运性能的关键。在方钴矿热电材料的传统制备工艺中，淬火工艺是一个非常关键的步骤。淬火温度对最终形成单相致密的方钴矿起到至关重要的作用，因此，优化淬火温度也是制备高性能方钴矿热电材料尤其是p型Fe基方钴矿材料的关键。然而，优化p型填充方钴矿材料的淬火温度保证良好的烧结致密度、较低的热导率前提下减少杂质相的形成，从而提高电热输运性能的研究较少。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
本发明的目的在于优化p型填充方钴矿材料的淬火温度保证良好的烧结致密度、较低的热导率前提下减少杂质相的形成，从而提高电热输运性能，提供了一种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法。
本发明采用的技术方案为，公开了一种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法，包括以下步骤：
S1：采用Ce、Fe和Sb为初始原料，按化学计量比CeFe4Sb12称量后手工混合均匀；
S2：将步骤S1中混合好的粉末置于干净的石墨坩埚中，在真空条件下将石墨坩埚密封于石英管中，得到石英安瓿；
S3：将步骤S2中得到的石英安瓿置于高温炉中，缓慢升温至1000～1150℃，真空熔融后熔体在油中淬火，获得铸锭；
S4：将步骤S3中得到的铸锭再次密封在石英管中，退火后将得到的退火样品手工研磨，得到晶粒大小均匀的粉末；
S5：将步骤S4得到的粉末采用放电等离子体烧结法于真空下烧结得到p型Ce填充铁基方钴矿化合物热电材料。
所述步骤S1中手工混合时间为9～11min，使充分混合均匀。
所述步骤S2中真空条件为真空度小于0.1MPa，在真空下密封，提高了成品的纯度。
所述步骤S3中熔融时间为8～11h。
所述步骤S4中退火温度为670～680℃，时间为120～168h。
所述步骤S5中烧结温度为490～510℃，烧结压力为50～60MPa，烧结时间为5～15min。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：本发明采用熔融-淬火-退火结合放电等离子烧结的工艺得到p型Ce填充铁基方钴矿化合物热电材料，采用优化淬火温度的方法制备的p型Ce填充铁基方钴矿热电材料具有以下优点：
1、多孔结构；
2、烧结致密度良好；
3、微量的杂质相。
这些特点使得制备的的p型Ce填充铁基方钴矿热电材料(CeFe4Sb12)具有较低的热导率和竞争性的热电性能优值ZT值。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图；
图2是实施例1样品的XRD图谱和光面SEI图和BEI图；
图3是实施例1样品的热电性能优值ZT值；
图4是实施例2样品的XRD图谱和光面SEI图和BEI图；
图5是实施例2样品的热电性能优值ZT值；
图6是实施例3样品的XRD图谱和光面SEI图和BEI图；
图7是实施例3中样品的热电性能优值ZT值；
图8是实施例1-3样品的热导率。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
如图1所示，一种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法由如下步骤组成：
(1)以高纯Ce(99.9％块体)、Fe(99％粉体)和Sb(99.999％粉体)为初始原料，按化学计量比CeFe4Sb12称量，总计10g。
(2)将原料手工混合10min，使其混合均匀。然后将混合粉末置入干净的石墨坩埚中；在真空度小于0.1MPa的条件下将石墨坩埚密封于石英管中，置入程序控温熔融炉中，缓慢升温至1000℃，在此温度下真空熔融10小时，尔后将熔体置于油中淬火得到CeFe4Sb12铸块；将淬火得到的含有铸块的密封石英安瓿再次放入高温炉中650℃退火168h，退火的样品手工研磨成较细的粉末。
(3)将步骤(2)得到的粉末用放电等离子体烧结法于真空下烧结。烧结温度为500℃，烧结压力为50MPa，烧结时间为5min，得到直径15mm、高10mm的高致密的p型Ce填充铁基方钴矿热电材料，烧结体的粉末X-射线衍射分析结果显示，烧结体主相为方钴矿相，含有较多的FeSb2和Sb杂质相，如图2a所示。光面的BEI图和EDS能谱结果和XRD分析结果一致，如图2c所示。光面的SEI图显示，样品表面比较平整，有少量孔结构，如图2b。
(4)测量了SPS烧结后得到块体材料的塞贝克系数、电导率和热导率，并计算了ZT值，最大值仅为0.3，如图3所示。
实施例2
本实施例中，降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法除淬火温度变化外，其余制备方法同实施例1。淬火温度升高至1100℃。
图4a为所得样品的XRD图谱，样品的主相为方钴矿相，仅含有较少的FeSb2和Sb杂质相。与实施例1所得样品相比，杂质相显著降低。说明提高淬火温度可以明显减少杂质相的形成。从样品光面的SEI图(图4b)和BEI图(图4c)可以看出，与实施例1的样品相比，表面的微米孔结构明显增加，这些多孔结构有助于散射声子，降低热导率，提高样品的热输运性能。
由测试得到的Seebeck系数、电导率和热导率计算得到了样品的ZT值，如图5所示。样品的ZT值最大值为0.78，与实施例1的样品相比，ZT值大幅提升。
实施例3
本实施例中，降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法除淬火温度变化外，其余制备方法同实施例1和2。淬火温度升高至1150℃。
图6a为所得样品的XRD图谱，样品的主相为方钴矿相，也仅含有较少的FeSb2和Sb杂质相。与实施例2所得样品相比，FeSb2和Sb杂质含量变化不大，但明显低于实施例1。从样品光面的SEI图(图6b)和BEI图(图6c)可以看出，与实施例2的样品相比，表面的微米孔结构进一步增加。这些多孔结构的进一步增加更有助于散射更多的声子，进一步降低热导率，提高热输运性能。由测试得到的Seebeck系数、电导率和热导率计算得到了样品的ZT值，如图7所示。样品的最优ZT值在达到了约0.9，与实施例2的样品相比，ZT值进一步提升。
本发明说明了通过适当提高淬火温度可以显著提升p型Ce填充铁基方钴矿CeFe4Sb12热电材料的热电性能。该热电性能的显著提升得益于淬火温度提升引起的热导率显著降低，如图8所示。因此，选择合适的淬火温度对获得高性能的p型Ce填充铁基方钴矿化合物热电材料非常重要。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种p型降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采用Ce、Fe和Sb为初始原料，按化学计量比CeFe4Sb12称量后手工混合均匀；
S2：将步骤S1中混合好的粉末置于干净的石墨坩埚中，在真空条件下将石墨坩埚密封于石英管中，得到石英安瓿；
S3：将步骤S2中得到的石英安瓿置于高温炉中，缓慢升温至1000～1150℃，真空熔融后熔体在油中淬火，获得铸锭；
S4：将步骤S3中得到的铸锭再次密封在石英管中，退火后将得到的退火样品手工研磨，得到晶粒大小均匀的粉末；
S5：将步骤S4得到的粉末采用放电等离子体烧结法于真空下烧结得到p型Ce填充铁基方钴矿化合物热电材料。
2.如权利要求1所述的一种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法，其特征在于，所述步骤S1中Ce为99.9％高纯Ce、Fe为99％高纯Fe、Sb为99.999％高纯Sb。
3.如权利要求1所述的一种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法，其特征在于，所述的步骤S1中Ce为块体，Fe为粉体，Sb为粉体。
4.如权利要求1所述的一种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法，其特征在于，所述步骤S1中手工混合时间为9～11min。
5.如权利要求1所述的一种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法，其特征在于，所述步骤S2中真空条件为真空度小于0.1MPa。
6.如权利要求1所述的一种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法，其特征在于，所述步骤S3中熔融时间为8～11h。
7.如权利要求1所述的一种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法，其特征在于，所述步骤S4中退火温度为670～680℃，时间为120～168h。
8.如权利要求1所述的一种降低p型Ce填充铁基方钴矿热电材料热导率的方法，其特征在于，所述步骤S5中烧结温度为490～510℃，烧结压力为50～60MPa，烧结时间为5～15min。
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