CN1843667A - 一种Bi-Sb-Te系热电材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种Bi-Sb-Te系热电材料的制备方法,其步骤为:将原料粉末按原子比Bi∶Sb∶Te=2x∶2-2x∶3配比,0.1≤x≤0.3,混合后进行高能球磨处理,得到合金粉末,球料重量比10∶1~20∶1,球磨转速300~400r/min,球磨时间8~12h,球磨时通惰性气体保护;将上述合金粉末采用等离子体活化烧结成形,升温速率30~100℃/min,烧结温度300℃~500℃,升温阶段压力15~25MPa,保温阶段压力40~60MPa,保温时间10~30min,整个烧结过程在真空或惰性气体保护下进行。该方法所得材料室温下热电优值达到了5.26×10-3/K。
Description
技术领域
本发明属于热电材料的制备技术领域,具体涉及一种Bi-Sb-Te系热电材料的制备方法。
背景技术
Bi-Sb-Te系热电材料是当前性能最为优越的半导体制冷用热电材料之一,已在微电子,光电子器件的冷却和恒温、生物芯片、医疗器材及国防特种制冷等多种领域有所应用。Bi-Sb-Te系热电材料的制备通常采用传统制备单晶的方法,如区域熔炼法、布里奇曼法和拉晶法。尽管单晶材料的一致取向性使它在某个方向上的性能优于多晶材料,但单晶材料的制备方法及单晶材料本身存在以下难以克服的弊端:(1)单晶生长条件苛刻、制备周期长、能耗高、成本高。(2)区熔法制备的晶棒材料两端会产生高浓度的杂质偏聚区,该区必须切除且无法回炉重复利用,因此材料的利用率低。(3)Bi-Sb-Te系化合物为六面体层状结构,其中在相邻的两Te原子层之间通过范德华力结合,结合力较弱,晶体极易沿此面发生解理破裂;单晶法制备过程中材料定向生长,晶粒粗大,因此其脆性大、机械加工性能差,为后续的模块化加工带来了困难,造成了大量不必要的浪费。因此,具有各向同性和微细结构的多晶Bi-Sb-Te系材料受到了研究者的青睐,制备多晶材料的粉末冶金方法受到了重视,如无压烧结,热压烧结,热挤压成形。传统粉末冶金方法(熔化-粉碎-压制-烧结)工艺流程长,效率低,能耗高等缺陷限制了其广泛应用。另外,在熔铸时由液相到固相转变过程中常常会出现成分偏析,加之熔融状态Bi、Te等低熔点元素易挥发,不仅导致材料利用率下降,且使材料的热电优值系数降低。热压过程的烧结时间相对来说比较长(一般2~5小时),烧结温度也较高(一般500℃左右),而挤压工艺中挤压棒尺寸的限制及挤压棒两端材料的大量浪费也约束了其在Bi-Sb-Te系热电材料制备中的广泛应用。近来出现的等离子体活化烧结工艺解决了上述成形工艺中存在的缺陷,等离子体活化烧结融等离子体活化、热压及电阻加热为一体,具有烧结时间短、烧结温度低,烧结体晶粒均匀、产物致密度高等优点。烧结过程仅需几分钟或十几分钟就能使烧结样品的相对密度接近100%,且能抑制样品晶粒长大,细化晶粒,有助于提高材料的热电性能和机械性能。然而,当前与等离子体活化烧结配合使用的粉末材料都是通过以下途径获得:(1)先通过熔炼或传统单晶法得到坯料;(2)再将坯料粉碎获得粉末材料。单晶材料制备过程中的高能耗、周期长、材料利用率低等缺陷并没有得到改善(见①陈立东,蒋俊,柏胜强,中国专利,CN1488572A。②N.Keawprak,Z.M.Sun,H.Hashimoto,et al.J.AlloysCompd.,2005,397:236-244.)。所以寻求一种高效,节能,工艺简单,产品具有高的机械性能和热电性能的制备工艺非常重要。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足之处,提供一种Bi-Sb-Te系热电材料的制备方法,该制备方法采用机械合金化和等离子体活化烧结成形两步法来制备Bi-Sb-Te系热电材料,在保证材料机械性能的同时,大幅提高了其热电性能。
为实现上述目的,本发明采用的技术方案是:一种Bi-Sb-Te系热电材料的制备方法,包括以下步骤:(1)将原料粉末按原子比Bi∶Sb∶Te=2x∶2-2x∶3配比,0.1≤x≤0.3,混合后进行高能球磨处理,得到合金粉末,球料重量比10∶1~20∶1,球磨转速300~400r/min,球磨时间8~12h,球磨时通惰性气体保护;(2)将上述合金粉末采用等离子体活化烧结成形,升温速率30~100℃/min,烧结温度300℃~500℃,升温阶段压力15~25MPa,保温阶段压力40~60MPa,保温时间10~30min,整个烧结过程在真空或惰性气体保护下进行。
所述原料粉末按原子比Bi∶Sb∶Te=2x∶2-2x∶3配比,0.1≤x≤0.25。
在上述原料粉末Bi,Sb,Te中掺杂Te粉,掺杂量为上述原料粉末总重量的y%,0<y≤8。
球磨和烧结过程中所述惰性气体为氩气。
本发明相比现有技术具有以下优点:
(1)本发明采用机械合金化和等离子体活化烧结成形两步法来制备Bi-Sb-Te系热电材料,既具备机械合金化的长处,又兼有等离子体活化烧结的优点。在合金化过程中,无须经过气相或液相反应,不受物质蒸汽压、熔点、化学活性等因素影响,所得合金粉末成分均匀,组织细小,克服了熔炼法中成分偏析、晶粒粗大等缺点;在等离子体活化烧结过程中烧结时间短,仅需几分钟或十几分钟,提高了生产效率,烧结温度低,烧结体晶粒均匀、细小、致密度高。
(2)本发明在保证Bi-Sb-Te系材料机械性能的同时,提高了其热电性能,室温下其最大热电优值达到了5.26×10-3/K。
(3)本发明工艺简单,材料利用率高,耗时少,能耗低,效率高,生产成本低,具有良好的工业化应用前景。
附图说明
图1为原子比为Bi∶Sb∶Te=0.4∶1.6∶3的合金粉末及不同烧结温度下烧结样品的X射线衍射图。(a)烧结温度为500℃,(b)烧结温度为410℃,(c)烧结温度为300℃,(d)合金化后的粉末。机械合金化工艺参数:球料重量比15∶1,球磨转速400r/min,球磨时间12h;等离子体活化烧结工艺参数:升温速率40℃/min,烧结温度分别选取500℃,410℃,300℃,升温阶段压力20MPa,保温阶段压力40MPa,保温时间20min。
图2为原子比为Bi∶Sb∶Te=0.4∶1.6∶3的烧结样断口扫描照片,机械合金化工艺参数与图1中所述机械合金化工艺参数相同,等离子体活化烧结工艺参数:升温速率40℃/min,烧结温度410℃,升温阶段压力20MPa,保温阶段压力40MPa,保温时间20min。
图3表示烧结样电阻率和赛贝克系数随化学成分变化的关系,机械合金化工艺参数和等离子体活化烧结工艺参数与图2中所述工艺参数相同。
图4表示烧结样热导率随化学成分变化的关系,机械合金化工艺参数和等离子体活化烧结工艺参数与图2中所述工艺参数相同。
图5表示烧结样功率因子和热电优值随化学成分变化的关系,机械合金化工艺参数和等离子体活化烧结工艺参数与图2中所述工艺参数相同。
具体实施方式
本发明包括机械合金化和随后的等离子体活化烧结成形两步工艺。下面通过实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
(1)将高纯(≥99.9%)原料粉末按原子比Bi∶Sb∶Te=0.4∶1.6∶3配比,与磨球混合后进行高能球磨处理,得到合金粉末,球料重量比15∶1,球磨转速400r/min,球磨时间12h,球磨时通高纯氩气保护,球磨在钢制球磨罐内进行,所选磨球可以是不锈钢,也可以是硬质合金;
(2)将上述合金粉末装入石墨模具或专用的粉末冶金钢制模具或硬质合金模具,在等离子体活化烧结炉内烧结成形,升温速率40℃/min,烧结温度410℃,采用两步加压法,升温阶段压力20MPa,保温阶段压力40MPa,保温时间20min,整个烧结过程氩气气氛保护。
合金粉末及烧结样的X射线衍射图分别见图1中的(d)和(b),烧结样的断口扫描照片见图2,热电性能在300K下测试,烧结样的电阻率ρ为1.032×10-5Ω.m,热导率κ为1.013W/mK,赛贝克系数α为234.50μV/K,热电优值Z为5.26×10-3/K。
实施例2
(1)将高纯(≥99.9%)原料粉末按原子比Bi∶Sb∶Te=0.2∶1.8∶3配比,与磨球混合后进行高能球磨处理,得到合金粉末,球料重量比20∶1,球磨转速380r/min,球磨时间12h,球磨时通高纯氩气保护;
(2)将上述合金粉末装入石墨模具,在等离子体活化烧结炉内烧结成形,升温速率40℃/min,烧结温度410℃,采用两步加压法,升温阶段压力20MPa,保温阶段压力40MPa,保温时间20min,整个烧结过程氩气气氛保护。
热电性能在300K下测试,烧结样的电阻率ρ为0.801×10-5Ω.m,热导率κ为1.210W/mK,赛贝克系数α为176.36μV/K,热电优值Z为3.21×10-3/K。
实施例3
(1)将高纯(≥99.9%)原料粉末按原子比Bi∶Sb∶Te=0.6∶1.4∶3配比,与磨球混合后进行高能球磨处理,得到合金粉末,球料重量比10∶1,球磨转速350r/min,球磨时间10h,球磨时通高纯氩气保护;
(2)将上述合金粉末装入石墨模具,在等离子体活化烧结炉内烧结成形,升温速率60℃/min,烧结温度410℃,采用两步加压法,升温阶段压力20MPa,保温阶段压力40MPa,保温时间10min,整个烧结过程氩气气氛保护。
热电性能在300K下测试,烧结样的电阻率ρ为4.490×10-5Ω.m,热导率κ为0.997W/mK,赛贝克系数α为261.30μV/K,热电优值Z为1.53×10-3/K。
实施例4
(1)将高纯(≥99.9%)原料粉末按原子比Bi∶Sb∶Te=0.5∶1.5∶3配比,与磨球混合后进行高能球磨处理,得到合金粉末,球料重量比20∶1,球磨转速300r/min,球磨时间8h,球磨时通高纯氩气保护;
(2)将上述合金粉末装入石墨模具,在等离子体活化烧结炉内烧结成形,升温速率30℃/min,烧结温度300℃,采用两步加压法,升温阶段压力25MPa,保温阶段压力50MPa,保温时间10min,真空条件下烧结。
热电性能在300K下测试,烧结样的电阻率ρ为2.624×10-5Ω.m,热导率κ为0.910W/mK,赛贝克系数α为218.67μV/K,热电优值Z为2.00×10-3/K。
实施例5
(1)将高纯(≥99.9%)原料粉末按原子比Bi∶Sb∶Te=0.4∶1.6∶3配比,与磨球混合后进行高能球磨处理,得到合金粉末,球料重量比20∶1,球磨转速380r/min,球磨时间12h,球磨时通高纯氩气保护;
(2)将上述合金粉末装入石墨模具,在等离子体活化烧结炉内烧结成形,升温速率100℃/min,烧结温度440℃,采用两步加压法,升温阶段压力15MPa,保温阶段压力60MPa,保温时间10min,整个烧结过程氩气气氛保护。
热电性能在300K下测试,烧结样的电阻率ρ为1.201×10-5Ω.m,热导率κ为1.001W/mK,赛贝克系数α为234.2μV/K,热电优值Z为4.56×10-3/K。
实施例6
(1)将高纯(≥99.9%)原料粉末按原子比Bi∶Sb∶Te=0.4∶1.6∶3配比,与磨球混合后进行高能球磨处理,得到合金粉末,球料重量比10∶1,球磨转速300r/min,球磨时间10h,球磨时通高纯氩气保护;
(2)将上述合金粉末装入石墨模具,在等离子体活化烧结炉内烧结成形,升温速率80℃/min,烧结温度500℃,采用两步加压法,升温阶段压力25MPa,保温阶段压力60MPa,保温时间30min,真空条件下烧结。
热电性能在300K下测试,烧结样的电阻率ρ为0.914×10-5Ω.m,热导率κ为1.312W/mK,赛贝克系数α为235.23μV/K,热电优值Z为4.61×10-3/K。
实施例7
(1)将高纯(≥99.9%)原料粉末按原子比Bi∶Sb∶Te=0.5∶1.5∶3配比,与磨球混合后进行高能球磨处理,得到合金粉末,球料重量比10∶1,球磨转速400r/min,球磨时间10h,球磨时通氮气保护;
(2)将上述合金粉末装入石墨模具,在等离子体活化烧结炉内烧结成形,升温速率40℃/min,烧结温度440℃,采用两步加压法,升温阶段压力20MPa,保温阶段压力40MPa,保温时间30min,整个烧结过程氮气气氛保护。
热电性能在300K下测试,烧结样的电阻率ρ为2.11×10-5Ω.m,热导率κ为1.10W/mK,赛贝克系数α为248.32μV/K,热电优值Z为2.66×10-3/K。
实施例8
(1)将高纯(≥99.9%)原料粉末按原子比Bi∶Sb∶Te=0.2∶1.8∶3配比,并掺杂Te粉,掺杂量为上述原料粉末总重量的0.5%,与磨球混合后进行高能球磨处理,得到合金粉末,球料重量比20∶1,球磨转速400r/min,球磨时间12h,球磨时通高纯氩气保护;
(2)将上述合金粉末装入石墨模具,在等离子体活化烧结炉内烧结成形,升温速率30℃/min,烧结温度440℃,采用两步加压法,升温阶段压力25MPa,保温阶段压力60MPa,保温时间30min,整个烧结过程氩气气氛保护。
热电性能在300K下测试,烧结样的电阻率ρ为1.047×10-5Ω.m,热导率κ为0.942W/mK,赛贝克系数α为192.34μV/K,热电优值Z为3.75×10-3/K。
实施例9
(1)将高纯(≥99.9%)原料粉末按原子比Bi∶Sb∶Te=0.6∶1.4∶3配比,并掺杂Te粉,掺杂量为上述原料粉末总重量的8%,与磨球混合后进行高能球磨处理,得到合金粉末,球料重量比20∶1,球磨转速400r/min,球磨时间12h,球磨时通高纯氩气保护;
(2)将上述合金粉末装入石墨模具,在等离子体活化烧结炉内烧结成形,升温速率100℃/min,烧结温度450℃,采用两步加压法,升温阶段压力15MPa,保温阶段压力50MPa,保温时间20min,整个烧结过程氩气气氛保护。
热电性能在300K下测试,烧结样的电阻率ρ为4.512×10-5Ω.m,热导率κ为0.811W/mK,赛贝克系数α为269.04μV/K,热电优值Z为1.98×10-3/K。
实施例10
(1)将高纯(≥99.9%)原料粉末按原子比Bi∶Sb∶Te=0.5∶1.5∶3配比,并掺杂Te粉,掺杂量为上述原料粉末总重量的4%,与磨球混合后进行高能球磨处理,得到合金粉末,球料重量比15∶1,球磨转速400r/min,球磨时间12h,球磨时通高纯氩气保护;
(2)将上述合金粉末装入石墨模具,在等离子体活化烧结炉内烧结成形,升温速率80℃/min,烧结温度500℃,采用两步加压法,升温阶段压力15MPa,保温阶段压力40MPa,保温时间20min,真空条件下烧结。
热电性能在300K下测试,烧结样的电阻率ρ为1.880×10-5Ω.m,热导率κ为1.091W/mK,赛贝克系数α为241.58μV/K,热电优值Z为2.85×10-3/K。
Claims (4)
1.一种Bi-Sb-Te系热电材料的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)将原料粉末按原子比Bi∶Sb∶Te=2x∶2-2x∶3配比,0.1≤x≤0.3,混合后进行高能球磨处理,得到合金粉末,球料重量比10∶1~20∶1,球磨转速300~400r/min,球磨时间8~12h,球磨时通惰性气体保护;
(2)将上述合金粉末采用等离子体活化烧结成形,升温速率30~100℃/min,烧结温度300℃~500℃,升温阶段压力15~25MPa,保温阶段压力40~60MPa,保温时间10~30min,整个烧结过程在真空或惰性气体保护下进行。
2.根据权利要求1所述的Bi-Sb-Te系热电材料的制备方法,其特征在于:上述按原子比Bi∶Sb∶Te=2x∶2-2x∶3配比的原料粉末,0.1≤x≤0.25。
3.根据权利要求1或2所述的Bi-Sb-Te系热电材料的制备方法,其特征在于:在原料粉末Bi,Sb,Te中掺杂Te粉,掺杂量为上述原料粉末总重量的y%,0<y≤8。
4.根据权利要求1或2所述的Bi-Sb-Te系热电材料的制备方法,其特征在于:球磨和烧结过程中所述惰性气体为氩气。
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