CN116283295B - 一种碲化铋基复合热电材料及其制备方法 - Google Patents
一种碲化铋基复合热电材料及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116283295B CN116283295B CN202310251194.1A CN202310251194A CN116283295B CN 116283295 B CN116283295 B CN 116283295B CN 202310251194 A CN202310251194 A CN 202310251194A CN 116283295 B CN116283295 B CN 116283295B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- thermoelectric material
- bismuth telluride
- based composite
- composite thermoelectric
- ball milling
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000000463 material Substances 0.000 title claims abstract description 100
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 59
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 36
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 35
- XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N telluride(2-) Chemical compound [Te-2] XSOKHXFFCGXDJZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 35
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 claims abstract description 5
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 claims description 42
- 238000005245 sintering Methods 0.000 claims description 38
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 23
- 238000000465 moulding Methods 0.000 claims description 11
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 9
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 9
- 238000002156 mixing Methods 0.000 claims description 8
- 238000011068 loading method Methods 0.000 claims description 4
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 6
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 abstract description 5
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000002490 spark plasma sintering Methods 0.000 description 16
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 11
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 11
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 11
- 238000004321 preservation Methods 0.000 description 10
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 239000011812 mixed powder Substances 0.000 description 6
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 5
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000005057 refrigeration Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- NIPNSKYNPDTRPC-UHFFFAOYSA-N N-[2-oxo-2-(2,4,6,7-tetrahydrotriazolo[4,5-c]pyridin-5-yl)ethyl]-2-[[3-(trifluoromethoxy)phenyl]methylamino]pyrimidine-5-carboxamide Chemical compound O=C(CNC(=O)C=1C=NC(=NC=1)NCC1=CC(=CC=C1)OC(F)(F)F)N1CC2=C(CC1)NN=N2 NIPNSKYNPDTRPC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000013329 compounding Methods 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000713 high-energy ball milling Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000009768 microwave sintering Methods 0.000 description 1
- 238000003801 milling Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
- C04B35/547—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on sulfides or selenides or tellurides
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
- C04B35/64—Burning or sintering processes
- C04B35/645—Pressure sintering
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
- C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
- C04B2235/32—Metal oxides, mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof, e.g. carbonates, nitrates, (oxy)hydroxides, chlorides
- C04B2235/3231—Refractory metal oxides, their mixed metal oxides, or oxide-forming salts thereof
- C04B2235/3232—Titanium oxides or titanates, e.g. rutile or anatase
- C04B2235/3234—Titanates, not containing zirconia
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/60—Aspects relating to the preparation, properties or mechanical treatment of green bodies or pre-forms
- C04B2235/602—Making the green bodies or pre-forms by moulding
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/656—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes characterised by specific heating conditions during heat treatment
- C04B2235/6567—Treatment time
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
- C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
- C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
- C04B2235/65—Aspects relating to heat treatments of ceramic bodies such as green ceramics or pre-sintered ceramics, e.g. burning, sintering or melting processes
- C04B2235/66—Specific sintering techniques, e.g. centrifugal sintering
- C04B2235/666—Applying a current during sintering, e.g. plasma sintering [SPS], electrical resistance heating or pulse electric current sintering [PECS]
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Structural Engineering (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
本发明公开了一种碲化铋基复合热电材料及其制备方法，所述碲化铋基复合热电材料包括在未掺杂的Bi0.5Sb1.5Te3材料内掺入PbTiO3材料，且为Pb取代Sb位点并生成TiO2粒子的Bi0.5Sb1.5Te3基复合热电材料。本申请TiO2粒子和PbTiO3@TiO2微结构的存在对热导率的降低效果显著；同时原位反应使得Pb元素取代了Sb位点，增大了载流子浓度，显著提升了复合热电材料的电性能。且碲化铋基复合热电材料（x mol%PbTiO3+Bi0.5Sb1.5Te3）对复合比例x进行优选控制，使x≤1.5，进一步确保热电性能。
Description
技术领域
本发明涉及热点材料制备领域，具体而言，涉及一种碲化铋基复合热电材料及其制备方法。
背景技术
热电材料作为一种清洁无排放的新型能源材料，一般通过多个N型和P型热电对构成的π型元件串联成闭合回路做成热电器件来实现热能与电能之间的相互转换。工业场景下，热电器件通常用于温差发电或热电制冷，而温差发电装置或是热电制冷装置的最大效率受限于热电材料的热电优值ZT：其中，S，σ，κ分别表示材料的塞贝克系数，电导率和热导率，T为热电材料工作的环境温度。S2σ也叫材料的功率因子，是表示材料整体的电输运性能优劣的重要参数。为了提高热电器件的热电转换效率，提升材料本身的ZT是研究的重点与难点。而ZT又由S，σ，κ这三个参数共同决定，也就是要获得较高的功率因子PF和较低的热导率κ。碲化铋基材料是一种独特的大型商用热电材料，应用范围接近室温。一般来说，商业化的P型Bi2Te3基材料为Bi0.5Sb1.5Te3(BST)。对BST的热电性能进行优化，通常从优化载流子浓度和功率因数进行优化，但这种方法因为电导率的增加而导致热导率的降低。另外，通过声子工程降低晶格热导率，通过引入分散的第二相来增强材料的声子散射，降低材料的晶格热导率，从而提高材料的热电性能。例如，Kim等人利用高能球磨和火花等离子烧结制备了Ta2O5和Bi0.5Sb1.5Te3纳米复合材料，由于载流子散射增强，纳米粒子的塞贝克系数显著增加，热导率显著降低。Jiang等人将ZnO纳米粒子引入Bi0.5Sb1.5Te3中，成功降低了BST的晶格热导率，ZT值为～1.3，比基体高30％。在热电材料中引入氧化物第二相(SiO2、Al2O3、Bi2MoO9、ZrO2、Y2O3)可以增强声子散射，当第二相含量控制好后，热导率降低，ZT得到提高，但电性能优化不明显，甚至恶化。因此，如何寻找一种简单有效的方法，实现电热输运性能的协同优化，制备出高性能的Bi0.5Sb1.5Te3基热电材料是十分重要的。
发明内容
基于此，为了现有技术的热电材料存在的电热运输性能差的问题，本发明提供了一种碲化铋基复合热电材料，具体技术方案如下：
一种碲化铋基复合热电材料，所述碲化铋基复合热电材料包括在未掺杂的Bi0.5Sb1.5Te3材料内掺入PbTiO3材料，且为Pb取代Sb位点并生成TiO2粒子的Bi0.5Sb1.5Te3基复合热电材料。
进一步的，碲化铋基复合热电材料中，PbTiO3材料与Bi0.5Sb1.5Te3材料的摩尔比小于或等于1.5。
另外，本申请还提供一种碲化铋基复合热电材料的制备方法，包括以下步骤：
将PbTiO3材料与Bi0.5Sb1.5Te3材料按照摩尔比混合后，装入到不锈钢球磨罐中，球料比为20:1，在惰性气体保护下进行机械球磨，以250r/min～1000r/min的速度球磨处理2h～5h，制备得到混合均匀的复合粉末；
将所述复合粉末装入模具中，在烧结炉中于真空条件下进行烧结成型，得到碲化铋基复合热电材料。
进一步地，所述烧结成型的温度为400℃～500℃。
进一步地，所述烧结成型的时间为5min～30min。
进一步地，所述烧结成型的压强为50MPa～80MPa。
进一步地，所述球磨处理的时间为280r/min，所述球磨处理的时间为2h。
进一步地，所述烧结成型的温度为450℃，时间为8min，压强为60MPa。
上述方案中通过在SPS过程中原位反应生成了TiO2粒子，打破了常规的复合手段，TiO2粒子和PbTiO3@TiO2微结构的存在对热导率的降低效果十分显著；同时原位反应使得Pb元素取代了Sb位点，增大了载流子浓度，显著提升了复合热电材料的电性能。本发明制备合成的碲化铋基复合热电材料(x mol％PbTiO3+Bi0.5Sb1.5Te3)对复合比例x进行优选控制，使x≤1.5，进一步确保了碲化铋基复合热电材料的热电性能。以x＝0.5为例，0.5mol％PbTiO3+Bi0.5Sb1.5Te3复合热电材料在333K下的功率因子PF为4134μWm-1K-2，热电优值ZT为1.44，相比于同温度下的单相Bi0.5Sb1.5Te3分别提升了38％和48％。
附图说明
图1为不同PbTiO3含量的块体样品的电阻率随温度变化的关系示意图；
图2为不同PbTiO3含量的块体样品的塞贝克系数随温度变化的关系示意图；
图3为不同PbTiO3含量的块体样品的功率因子随温度变化的关系示意图；
图4为不同PbTiO3含量的块体样品的热导率随温度变化的关系示意图；
图5为不同PbTiO3含量的块体样品的热电优值随温度变化的关系示意图。
具体实施方式
为了使得本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合其实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本发明一实施例中的一种碲化铋基复合热电材料，所述碲化铋基复合热电材料包括在未掺杂的Bi0.5Sb1.5Te3材料内掺入PbTiO3材料，且为Pb取代Sb位点并生成TiO2粒子的Bi0.5Sb1.5Te3基复合热电材料。
进一步的，碲化铋基复合热电材料中，PbTiO3材料与Bi0.5Sb1.5Te3材料的摩尔比小于或等于1.5。
另外，本申请还提供一种碲化铋基复合热电材料的制备方法，包括以下步骤：
将PbTiO3材料与Bi0.5Sb1.5Te3材料按照摩尔比混合后，装入到不锈钢球磨罐中，球料比为20:1，在惰性气体保护下进行机械球磨，以250r/min～1000r/min的速度球磨处理2h～5h，制备得到混合均匀的复合粉末；
将所述复合粉末装入模具中，在烧结炉中于真空条件下进行烧结成型，得到碲化铋基复合热电材料。
在其中一个实施例中，所述烧结成型的温度为400℃～500℃。
在其中一个实施例中，所述烧结成型的时间为5min～30min。
在其中一个实施例中，所述烧结成型的压强为50MPa～80MPa。
在其中一个实施例中，所述球磨处理的时间为280r/min，所述球磨处理的时间为2h。
在其中一个实施例中，所述烧结成型的温度为450℃，时间为8min，压强为60MPa。
上述方案中通过在SPS过程中原位反应生成了TiO2粒子，打破了常规的复合手段，TiO2粒子和PbTiO3@TiO2微结构的存在对热导率的降低效果十分显著；同时原位反应使得Pb元素取代了Sb位点，增大了载流子浓度，显著提升了复合材料的电性能。本发明制备合成的碲化铋基复合热电材料(x mol％PbTiO3+Bi0.5Sb1.5Te3)对复合比例x进行优选控制，使x≤1.5，进一步确保了碲化铋基复合热电材料的热电性能。以x＝0.5为例，0.5mol％PbTiO3+Bi0.5Sb1.5Te3复合热电材料在333K下的功率因子PF为4134μWm-1K-2，热电优值ZT为1.44，相比于同温度下的单相Bi0.5Sb1.5Te3分别提升了38％和48％。
下面将结合具体实施例对本发明的实施方案进行详细描述。
实施例1：
一种碲化铋基复合热电材料的制备方法，包括以下步骤：
用数显电子天平分别称量10g的Bi0.5Sb1.5Te3粉末和0.0045g的PbTiO3粉末(两种材料摩尔比为1:0.001)混合，加入到不锈钢球磨罐中，球料比为20:1，然后向球磨罐中充满氩气作为保护气体，放入到行星球磨装置中以280r/min的速度进行球磨2h，得到混合均匀的粉末样品；
将得到的粉末样品装入直径为20mm的石墨模具中，放入SPS烧结炉中在真空环境进行SPS快速烧结，烧结温度为450℃，保温时间为8min，保温压强为60MPa，得到复合材料的块体样品。
测试块体样品的热电性能，在333K下测试，块体样品的电阻率为13.80μΩm，塞贝克系数为208.86μVK-1，功率因子PF为3161μWm-1K-2，热导率为0.92Wm-1K-1，热电优值ZT为1.14。
实施例2：
一种碲化铋基复合热电材料的制备方法，包括以下步骤：
用数显电子天平分别称量10g的Bi0.5Sb1.5Te3粉末和0.0113g的PbTiO3粉末(两种材料摩尔比为1:0.0025)混合，加入到不锈钢球磨罐中，球料比为20:1，然后向球磨罐中充满氩气作为保护气体，放入到行星球磨装置中以280r/min的速度进行球磨2h，得到混合均匀的粉末样品；
将得到的粉末样品装入直径为20mm的石墨模具中，放入SPS烧结炉中在真空环境进行SPS快速烧结，烧结温度为450℃，保温时间为8min，保温压强为60MPa，得到复合材料的块体样品。
块体样品的热电性能测试，在333K下测试，块体样品的电阻率为10.64μΩm，塞贝克系数为200.85μVK-1，功率因子PF为3791μWm-1K-2，热导率为0.94Wm-1K-1，热电优值ZT为1.34。
实施例3：
一种碲化铋基复合热电材料的制备方法，包括以下步骤：
用数显电子天平分别称量10g的Bi0.5Sb1.5Te3粉末和0.0226g的PbTiO3粉末(两种材料摩尔比为1:0.005)混合，加入到不锈钢球磨罐中，球料比为20:1，然后向球磨罐中充满氩气作为保护气体，放入到行星球磨装置中以280r/min的速度进行球磨2h，得到混合均匀的粉末样品；
将得到的粉末样品装入直径为20mm的石墨模具中，放入SPS烧结炉中在真空环境进行SPS快速烧结，烧结温度为450℃，保温时间为8min，保温压强为60MPa，得到复合材料的块体样品。
块体样品的热电性能测试，在333K下测试，样品的电阻率为9.45μΩm，塞贝克系数为197.64μVK-1，功率因子PF为4134μWm-1K-2，热导率为0.95Wm-1K-1，热电优值ZT为1.44。
实施例4：
一种碲化铋基复合热电材料的制备方法，包括以下步骤：
用数显电子天平分别称量10g的Bi0.5Sb1.5Te3粉末和0.0452g的PbTiO3粉末(两种材料摩尔比为1:0.01)混合，加入到不锈钢球磨罐中，球料比为20:1，然后向球磨罐中充满氩气作为保护气体，放入到行星球磨装置中以280r/min的速度进行球磨2h，得到混合均匀的粉末样品。
将得到的粉末样品装入直径为20mm的石墨模具中，放入SPS烧结炉中在真空环境进行SPS快速烧结，烧结温度为450℃，保温时间为8min，保温压强为60MPa，得到复合材料的块体样品。
块体样品的热电性能测试，在333K下测试，样品的电阻率为8.34μΩm，塞贝克系数为167.72μVK-1，功率因子PF为3374μWm-1K-2，热导率为1.11Wm-1K-1，热电优值ZT为1.01。
实施例5：
一种碲化铋基复合热电材料的制备方法，包括以下步骤：
用数显电子天平分别称量10g的Bi0.5Sb1.5Te3粉末和0.0678g的PbTiO3粉末(两种材料摩尔比为1:0.015)混合，加入到不锈钢球磨罐中，球料比为20:1，然后向球磨罐中充满氩气作为保护气体，放入到行星球磨装置中以280r/min的速度进行球磨2h，得到混合均匀的粉末样品；
将得到的粉末样品装入直径为20mm的石墨模具中，放入SPS烧结炉中在真空环境进行SPS快速烧结，烧结温度为450℃，保温时间为8min，保温压强为60MPa，得到复合材料的块体样品。
块体样品的热电性能测试，在333K下测试，样品的电阻率为6.81μΩm，塞贝克系数为151.87μVK-1，功率因子PF为3385μWm-1K-2，热导率为1.36Wm-1K-1，热电优值ZT为0.83。
对比例1：
一种Bi0.5Sb1.5Te3材料的制备方法，包括以下步骤：
用数显电子天平称量10g的Bi0.5Sb1.5Te3粉末，加入到不锈钢球磨罐中，球料比为20:1，然后向球磨罐中充满氩气作为保护气体，放入到行星球磨装置中以280r/min的速度进行球磨2h，得到混合均匀的粉末样品；
将得到的粉末样品装入直径为20mm的石墨模具中，放入SPS烧结炉中在真空环境进行SPS快速烧结，烧结温度为450℃，保温时间为8min，保温压强为60MPa，得到Bi0.5Sb1.5Te3材料的块体样品。
块体样品的热电性能测试，在333K下测试，块体样品的电阻率为14.84μΩm，塞贝克系数为211.03μVK-1，功率因子PF为2997μWm-1K-2，热导率为1.03Wm-1K-1，热电优值ZT为0.97。
本申请中通过PbTiO3和Bi2Te3在高温下分解反应，需要覆盖PbTiO3基化合物与Bi2Te3基化合物复合的高温制备技术。当PbTiO3可以替换为Pb(ZrxTi1-x)O3和Pb(MgNb)O3-PbTiO3的多元氧化物，Bi0.5Sb1.5Te3可替换为Bi2Te3和Bi2(TeSe)3，放电等离子烧结技术能替换为热压烧结、微波烧结和真空再熔炼技术。
从图可以看出1～5分析可知，实施例1～5以及对比例1中采用不同PbTiO3含量的块体样品进行测试，可知本申请中复合热电材料具有显著的电性能。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (6)
1.一种碲化铋基复合热电材料，其特征在于，所述碲化铋基复合热电材料包括在未掺杂的Bi0.5Sb1.5Te3材料内掺入PbTiO3材料，且为Pb取代Sb位点并生成TiO2粒子的Bi0.5Sb1.5Te3基复合热电材料；
碲化铋基复合热电材料中，PbTiO3材料与Bi0.5Sb1.5Te3材料的摩尔比小于或等于1.5；
所述碲化铋基复合热电材料的制备方法，包括以下步骤：
将PbTiO3材料与Bi0.5Sb1.5Te3材料按照摩尔比混合后，装入到不锈钢球磨罐中，球料比为20:1，在惰性气体保护下进行机械球磨，以250 r/min~1000r/min的速度球磨处理2h~5h，制备得到混合均匀的复合粉末；
将所述复合粉末装入模具中，在烧结炉中于真空条件下进行烧结成型，得到碲化铋基复合热电材料。
2.根据权利要求1所述的碲化铋基复合热电材料，其特征在于，所述烧结成型的温度为400℃~500℃。
3.根据权利要求2所述的碲化铋基复合热电材料，其特征在于，所述烧结成型的时间为5min~30min。
4.根据权利要求3所述的碲化铋基复合热电材料，其特征在于，所述烧结成型的压强为50MPa~80MPa。
5.根据权利要求3所述的碲化铋基复合热电材料，其特征在于，所述球磨处理的转速为280r/min，所述球磨处理的时间为2h。
6.根据权利要求3所述的碲化铋基复合热电材料，其特征在于，所述烧结成型的温度为450℃，时间为8min，压强为60MPa。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310251194.1A CN116283295B (zh) | 2023-03-15 | 2023-03-15 | 一种碲化铋基复合热电材料及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310251194.1A CN116283295B (zh) | 2023-03-15 | 2023-03-15 | 一种碲化铋基复合热电材料及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116283295A CN116283295A (zh) | 2023-06-23 |
| CN116283295B true CN116283295B (zh) | 2023-12-05 |
Family
ID=86797395
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310251194.1A Active CN116283295B (zh) | 2023-03-15 | 2023-03-15 | 一种碲化铋基复合热电材料及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116283295B (zh) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102339946A (zh) * | 2010-07-20 | 2012-02-01 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种高性能热电复合材料及其制备方法 |
| TW201604125A (zh) * | 2014-07-18 | 2016-02-01 | 中國鋼鐵股份有限公司 | 熱電複合材及其製造方法 |
| CN107681043A (zh) * | 2017-09-15 | 2018-02-09 | 武汉理工大学 | 一种柔性热电器件应用的碲化铋基复合热电材料及其制备方法 |
| CN112500164A (zh) * | 2020-12-14 | 2021-03-16 | 深圳先进电子材料国际创新研究院 | 一种碲化铋热电材料及其制备方法 |
| CN113372112A (zh) * | 2021-06-07 | 2021-09-10 | 上海大学 | N型钛酸锶铅镧热电材料及其制备方法 |
| CN115073176A (zh) * | 2021-03-15 | 2022-09-20 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种碲化铋基热电材料及其制备方法 |
-
2023
- 2023-03-15 CN CN202310251194.1A patent/CN116283295B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102339946A (zh) * | 2010-07-20 | 2012-02-01 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种高性能热电复合材料及其制备方法 |
| TW201604125A (zh) * | 2014-07-18 | 2016-02-01 | 中國鋼鐵股份有限公司 | 熱電複合材及其製造方法 |
| CN107681043A (zh) * | 2017-09-15 | 2018-02-09 | 武汉理工大学 | 一种柔性热电器件应用的碲化铋基复合热电材料及其制备方法 |
| CN112500164A (zh) * | 2020-12-14 | 2021-03-16 | 深圳先进电子材料国际创新研究院 | 一种碲化铋热电材料及其制备方法 |
| CN115073176A (zh) * | 2021-03-15 | 2022-09-20 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | 一种碲化铋基热电材料及其制备方法 |
| CN113372112A (zh) * | 2021-06-07 | 2021-09-10 | 上海大学 | N型钛酸锶铅镧热电材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Pb掺杂对Bi0.5Sb1.5Te3热电材料性能的影响;马正青等;《昆明理工大学学报》;第44卷(第6期);第25-30页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116283295A (zh) | 2023-06-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chauhan et al. | Compositional tuning of ZrNiSn half-Heusler alloys: Thermoelectric characteristics and performance analysis | |
| Zhao et al. | Engineering the Thermoelectric Transport in Half‐Heusler Materials through a Bottom‐Up Nanostructure Synthesis | |
| CN108531795B (zh) | n-型Mg-Sb基室温热电材料及其制备方法 | |
| CN102339946B (zh) | 一种高性能热电复合材料及其制备方法 | |
| JP2009529799A (ja) | 熱電用途用のドープ処理テルル化鉛 | |
| Teranishi et al. | Thermoelectric efficiency of reduced SrTiO 3 ceramics modified with La and Nb | |
| CN100549195C (zh) | 一种填充方钴矿基热电复合材料及其制备方法 | |
| CN107946450A (zh) | 一种掺杂变价元素协同优化BiCuSeO基热电材料及其制备方法 | |
| CN109650435A (zh) | 一种硫化铜基热电复合材料及其制备方法 | |
| KR20140065721A (ko) | 열전재료, 이를 포함하는 열전소자 및 열전장치, 및 이의 제조방법 | |
| CN113421959B (zh) | 一种n型碲化铋基室温热电材料及其制备方法 | |
| CN112397634B (zh) | 一种提升Bi-Sb-Te基热电材料性能的方法 | |
| CN105244435B (zh) | 一种新型n‑type热电材料NbVTaCoSb及其制备方法 | |
| CN109087987B (zh) | 一种α-MgAgSb基纳米复合热电材料及其制备方法 | |
| US9666782B2 (en) | P-type semiconductor composed of magnesium, silicon, tin, and germanium, and method for manufacturing the same | |
| JP5877275B2 (ja) | 熱電変換材料の製造方法 | |
| CN103811653B (zh) | 一种多钴p型填充方钴矿热电材料及其制备方法 | |
| CN116283295B (zh) | 一种碲化铋基复合热电材料及其制备方法 | |
| CN108048725A (zh) | ZrNiSn基高熵热电材料及其制备方法与热电器件 | |
| CN108091755A (zh) | TiCoSb基高熵热电材料及其制备方法与热电器件 | |
| CN109022863B (zh) | 一种填充Ga的基方钴矿热电材料及其制备方法 | |
| US3285019A (en) | Two-phase thermoelectric body comprising a lead-tellurium matrix | |
| KR20170069795A (ko) | 하프-호이슬러계 열전재료, 이의 제조 방법 및 이를 포함하는 열전 소자 | |
| Gostkowska et al. | Structure and thermoelectric properties of Cs-Bi-Te alloys fabricated by different routes of reduction of oxide reagents | |
| JPWO2018123899A1 (ja) | 熱電変換材料および熱電変換素子 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |