一种快速制备热电器件的方法技术

本发明专利技术提供了一种快速制备热电器件的方法，包括如下步骤：1)准备原料；2)根据所需要的电极图案和厚度，采用选择性激光熔融工艺将电极粉体打印在绝缘基板(一)上；3)采用选择性激光熔融工艺分别将p型、n型热电化合物粉体在步骤2)所得的电极层一上打印成p型、n型热电臂；4)将电极粉体采用选择性激光熔融工艺打印在p型、n型热电臂上，得到打印有电极层二的p型、n型热电臂上；5)将所述电极层二表面盖上绝缘基板二，得到热电器件。本发明专利技术直接从热电材料粉体出发，采用激光选择性熔融工艺，通过分层制造技术打印热电器件，避免传统热电器件制备工艺过程中繁琐的中间环节，克服传统焊接组装工艺中成品率低和原料利用率低的问题。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种快速制备热电器件的新方法，属于热电材料和器件制备新工艺。
技术介绍
热电转换技术包含热电制冷技术和温差发电技术，前者利用材料的帕尔贴效应将电能转换为热能，后者利用材料的赛贝克效应将热能转换为电能，作为一种全固态的新型能源转换技术，热电器件具有长寿命、无需维护和适应恶劣环境等优势。其中，热电制冷技术应用于对应噪声和空间等有特殊要求的制冷领域，如采用热电制冷技术的红酒柜和汽车坐垫，激光二极管的制冷是采用微型热电制冷器件来实现的，微型制冷器件的尺寸可达3×3×1mm3，而其中热电制冷器件的基本组成单元热电材料粒子的截面积可达0.1×0.1mm2。热电发电技术主要应用在偏远地区独立电源系统、汽车尾气废热回收、工业窑炉废热回收和太阳能光电热电复合发电系统等领域。目前，热电发电技术中所应用的材料有碲化铋及其合金、碲化铅及其合金和硅锗合金，而其他一些实验室报道的性能较好的热电材料由于器件制备技术上的瓶颈而很难实现商业化的应用。现有的商业化的热电器件的制备工艺普遍是采用先获得块体热电材料，然后切割成热电材料粒子，通过焊接的方式将p型和n型热电材料与布置在绝缘陶瓷片上的导流条结合并相互串联在一起。这种焊接的方式在制备热电器件时有以下几种缺点：1.工序复杂，包含大量的手工过程，成本高；2.随着热电材料粒子尺寸的降低和数量的增加，由于切割损耗和损坏造成的材料利用率和成品率大大降低；3.焊接过程中热影响区域较大，对材料和接头的性能存在不可预知的影响。3D打印技术在最近10年日益受到人们的重视，采用分层叠加制造的基本原理，理论上3D打印技术可以打印任何复杂形状的零件，可打印材料的种类从塑料、金属再到陶瓷以及生命体等。选择性激光烧结或熔融技术利用激光局部能量密度高的特点，将粉体局部加热达到熔点以上，使其烧结在一起，这种技术大量应用于不锈钢、Ti合金、Ni合金、CoCr合金等高温合金以及陶瓷的3D打印，在产品的设计环节采用3D打印技术可以大大缩短从产品概念设计草图到成型的时间，从而可以更快的推动新产品的开发。选择性激光熔融技术目前主要用于打印传统的金属零件，属于结构材料。目前，开发商业应用的材料体系仍限定于不锈钢、Co基、Ni基、Ti基高温合金等结构材料，对功能材料，如半导体材料的打印基本没有研究。对于热电材料及器件的打印尚未有人公开报道，可能出于以下两个方面的原因：1.在3D打印领域，人们关注的方向是结构材料，而非功能材料；2.现有的热电材料粉体制备技术很难满足商业化选择性激光熔融设备的要求，或者说现有的商业化选择性激光熔融设备难以满足热电材料粉体打印的要求。这是因为，目前的热电材料粉体制备技术获得的粉体形状不规则，其流动性不能满足商业化设备铺粉的要求；另外，热电器件包含至少3种不同的材料(电极材料、p型和n型热电材料)，采用现有商业化设备不可能在一次打印过程中完成整个器件的打印。
技术实现思路
本专利技术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热电器件的方法，通过结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印技术，以及增材制造技术打印热电器件，避免传统热电器件制备工艺过程中繁琐的中间环节，同时可直接打印微型器件，克服传统焊接组装工艺中成品率低和原料利用率低的问题。本专利技术为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：一种快速制备热电器件的方法，包括如下步骤：1)准备原料，包括绝缘基板、电极粉体、p型热电化合物粉体和n型热电化合物粉体；2)根据所需要的电极图案和厚度，采用选择性激光熔融工艺将电极粉体打印在绝缘基板(一)上，得到打印有电极层(一)的绝缘基板；3)根据设计的器件热电臂尺寸和分布，采用选择性激光熔融工艺分别将p型热电化合物粉体和n型热电化合物粉体在步骤2)所得的电极层(一)上打印成p型热电臂和n型热电臂；4)根据所需要的电极图案和厚度，将电极粉体采用选择性激光熔融工艺打印在p型热电臂和n型热电臂上，形成电极层(二)，所述电极层(二)将p型热电臂和n型热电臂相连接；5)在所述电极层(二)表面盖上绝缘基板(二)，得到热电器件。按上述方案，所述电极层(一)、电极层(二)均由步骤1)所述的电极粉体打印而成。按上述方案，所述绝缘基板(一)、绝缘基板(二)均为步骤1)所准备的绝缘基板，可以选用陶瓷绝缘基板。按上述方案，本专利技术可制备的热电器件尺寸范围较大，尤其适合于制备微型热电器件，热电单臂的截面边长范围为0.1～3mm，热电器件边长范围为3～100mm。按上述方案，所述热电器件的结构和传统工艺制备的热电器件类似，即电极层一和二均间隔分布在绝缘基板上，按照电极层一、热电臂、电极层二、热电臂和电极层一的顺序将p型和n型热电臂依次串联而成。其中，电极层(一)、电极层(二)厚度优选0.1-0.5mm，两电极层之间的间隔优选3-10mm。按上述方案，对于步骤1)中，电极粉体、p型热电化合物粉体和n型热电化合物粉体的粒度控制在0.1～50μm范围。优选地，将电极粉体、p型热电化合物粉体和n型热电化合物粉体分别分散于水或其他挥发性溶剂中制成悬浮液用于喷墨打印，悬浮液的固相含量均控制在1～40％。其中，其他挥发性溶剂可以选自乙醇和丙酮等。按上述方案，对于步骤1)中各原料的量根据所需打印的热电器件的尺寸而定，在此不作具体限定。按上述方案，所述步骤2)必要时需要进行重复，直至达到电极层(一)所需要的厚度。按上述方案，所述步骤3)必要时需要进行重复，直至达到p型热电臂和n型热电臂所需要的厚度。按上述方案，所述步骤4)必要时需要进行重复，直至达到电极层(二)所需要的厚度。按上述方案，所述电极粉体选自单质Ni、Cu、Ag、Al、Mo、W、Ti或者NiAl合金等中的一种或几种按任意比例的混合物。按上述方案，所述p型热电化合物选自Bi2-xSbxTe3、SnSe、CeFe4Sb12、MnSi1.75、Zr0.5Hf0.5CoSb和PbSe等中的一种；所述n型热电化合物选自Bi2Te3-xSex、SnTe、n-Co4Sb12-xTex、Mg2Si1-xSnx、ZrNiSn和PbS等中的一种。按上述方案，步骤2)、3)、4)中的选择性激光熔融工艺中，激光的类型为连续激光，波长为1060～1070nm，激光的功率控制在5～100W，激光扫描线速率控制在10～500mm/s，气氛控制为0.5～1大气压惰性气氛(如氮气、氩气等)，单层铺粉厚度在30～100μm。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术直接从热电材料粉体出发，通过结合喷墨打印和选择性激光熔融的3D打印技术，以及增材制造技术打印热电器件，避免传统热电器件制备工艺过程中繁琐的中间环节，同时可直接打印微型器件，克服传统焊接组装工艺中成品率低和原料利用率低的问题。2、本专利技术采用3D打印不需要复杂的前期建模设计，且打印效率相对一些形状复杂的零件要高，能够满足热电器件的结构规整且高度一般低于10mm的需求。3、本专利技术采用激光选择性熔融工艺中激光加热过程对热电材料的热影响区域较小，可避免传统工艺焊接过程中热冲击对材料性能的影响。附图说明图1是设备整体结构示意图；图2a是单喷头打印装置示意图；图2b是图2a的侧视图；图3是气体循环系统示意图；图4是喷墨打印图案和激光扫描区域图案示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种快速制备热电器件的方法，其特征在于包括如下步骤：1)准备原料，包括绝缘基板、电极粉体、p型热电化合物粉体和n型热电化合物粉体；2)根据所需要的电极图案和厚度，采用选择性激光熔融工艺将电极粉体打印在绝缘基板上，得到打印有电极层一的绝缘基板；3)根据设计的器件热电臂尺寸和分布，采用选择性激光熔融工艺分别将p型热电化合物粉体和n型热电化合物粉体在步骤2)所得的电极层一上打印成p型热电臂和n型热电臂；4)根据所需要的电极图案和厚度，将电极粉体采用选择性激光熔融工艺打印在p型热电臂和n型热电臂上形成电极层二，所述电极层二将p型热电臂和n型热电臂相连接；5)将所述电极层二表面打磨平整后，盖上一绝缘基板，得到热电器件。

【技术特征摘要】
1.一种快速制备热电器件的方法，其特征在于包括如下步骤：1)准备原料，包括绝缘基板、电极粉体、p型热电化合物粉体和n型热电化合物粉体；2)根据所需要的电极图案和厚度，采用选择性激光熔融工艺将电极粉体打印在绝缘基板上，得到打印有电极层一的绝缘基板；3)根据设计的器件热电臂尺寸和分布，采用选择性激光熔融工艺分别将p型热电化合物粉体和n型热电化合物粉体在步骤2)所得的电极层一上打印成p型热电臂和n型热电臂；4)根据所需要的电极图案和厚度，将电极粉体采用选择性激光熔融工艺打印在p型热电臂和n型热电臂上形成电极层二，所述电极层二将p型热电臂和n型热电臂相连接；5)将所述电极层二表面打磨平整后，盖上一绝缘基板，得到热电器件。2.根据权利要求1所述的一种快速制备热电器件的方法，其特征在于热电器件边长范围为3～100mm，每个热电臂的截面边长范围为0.1～3mm。3.根据权利要求1所述的一种快速制备热电器件的方法，其特征在于电极层一和二均间隔分布在绝缘基板上，按照电极层一、p型热电臂、电极层二、n型热电臂和电极层一的顺序将p型和n型热电臂依次串联而成。4.根据权利要求1所述的一种快速制备热电器件的方法，其特征在于步骤2)中重复操作直至达到电极层一所需要的厚度；步骤4)中重复操作直至达到电极层二所需要的厚度。5.根据权利要求1所述的一种快速制备热电器件的方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：鄢永高，唐新峰，苏贤礼，吴林春，陈天乐，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42