一种提升Bi-Sb-Te基热电材料性能的方法技术

本发明专利技术涉及热电材料技术领域，具体公开了一种提升Bi

【技术实现步骤摘要】
一种提升Bi-Sb-Te基热电材料性能的方法


[0001]本专利技术涉及热电材料
，特别涉及一种提升Bi-Sb-Te基热电材料性能的方法。

技术介绍

[0002]热电器件，作为一种无污染、工作噪音小、无传动部件、使用寿命长、可靠性高的新型能源材料，其能够利用塞贝克效应以及佩尔捷效应，利用固体内部的载流子定向运动直接将热能与电能进行相互转化，是一种应用于温差生电和使用单向电流进行制冷的新技术，是未来极具应用前景的新型绿色能源技术。
[0003]热电材料的能量转化效率通常使用无量纲热电优值来表征，ZT＝σα2T/κ,其中T为绝对温度，α为赛贝克系数，σ为电导率，κ为总热导率，其中总热导率κ由电子热导率、晶格热导率、以及双极热导率三部分组成。由于决定热电优值的三个物理参数S、σ、κ之间存在着强烈的互相影响，所以很难做到调控单独参数来优化热电优值。所以通过协同调控其热传输与电传输之间的关系，及化学掺杂增强功率因子(PF＝σα2)，同时构建多尺度缺陷来降低其晶格热导率κ
L
，进而促进ZT值的增长一直是热电领域的研究重点。
[0004]p型碲化铋是一种重要的热电能源材料，其在室温区间优异的稳定性以及高热电性能一直是实际应用中的重点，由于p型碲化铋具有特殊的能带结构和相对复杂的晶体结构，使其在中温区间出现双极效应，使得其应用范围只能在室温区，这是限制其使用温度范围的重要因素，因此要如何提升p型碲化铋在中温区间的热电优值依旧是本领域重要的研究课题。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种提升Bi-Sb-Te基热电材料性能的方法，以解决现有技术中p型碲化铋在中温区间会出现双极效应，热电性能不佳，使其应用范围受限的问题。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0007]一种提升Bi-Sb-Te基热电材料性能的方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1：按照化学通式为Bi
0.42
Sb
1.58
Te3(Cu
1.8
S)
x
的摩尔分数配比，其中0＜x≤0.3％，称量Te粒、Sb粒、Bi粉和Cu
1.8
S粉，装入石英管中并抽真空；
[0009]步骤2：将步骤1的石英管放置于立式管式炉中在900～1000℃温度下保温15～20h，随后随炉冷却，得到初始铸锭；
[0010]步骤3：将步骤2的铸锭采用高能球磨机进行研磨，得到粉末；
[0011]步骤4：将步骤3得到的粉末采用放电等离子烧结工艺，在410～450℃下保温4～8min，得到Bi-Sb-Te基热电材料，其中烧结压力为40～60MPa。
[0012]本技术方案的技术原理和效果在于：
[0013]1、本方案中通过引入Cu
1+
(Cu
1.8
S)，使用Cu
1+
对Bi-Sb-Te基热电材料进行化学掺杂，优化Bi-Sb-Te基热电材料的空穴载流子浓度，抑制了双极效应，使得Bi-Sb-Te基热电材
料的载流子浓度达到优化水平，电传输性质得到优化；另外Cu
1+
的引入，抑制了Bi-Sb-Te基体的本征激发，使得其空穴载流子不会被电子俘获；同时在Bi-Sb-Te基热电材料中构建由Cu
1+
置换点缺陷、一维位错、二维晶界等多维缺陷结构、晶格畸变位错和散射声子，从而降低了热导率，最终在载流子与热导率的优化下，使Bi-Sb-Te基热电材料的热导率在高温区显著降低，最终热电优值在高温区得到大幅提升，成为一种在中温区(300K～580K)具有较高应用价值的热电材料。
[0014]2、本方案中引入的掺杂物Cu
1.8
S，其加入的摩尔量不超过0.3％，原因在于，超过该范围，会使得到的样品中Cu
1.8
S以第二相的形式出现在Bi-Sb-Te基热电材料的相界面上，而这样的现象会导致样品的功率因子急剧下降，从而恶化材料的热电性能。
[0015]3、本方案中SPS烧结的温度限定在410～450℃，在该温度内产物的烧结效果较好，可以达到较高的致密度，而如果烧结温度过低，会使样品不够致密或出现开裂等问题；而烧结温度过高，则会使样品在烧结过程中过度软化而挤出，无法完成烧结，或者析出一些第二相杂质。
[0016]进一步，所述步骤1中Te粒、Sb粒和Bi粉按照熔点由高到低依次装入石英管中。
[0017]有益效果：这样使得Te粒、Sb粒和Bi粉能够在高温下均匀的融化。
[0018]进一步，所述步骤1中Te粒、Sb粒、Bi粉和Cu
1.8
S粉的纯度不低于99.99％。
[0019]有益效果：这样减少杂质元素的引入，降低杂质对产物热电优值提升的影响。
[0020]进一步，所述步骤1中石英管抽真空后，其绝对真空度低于10-4
Pa。
[0021]有益效果：这样设置能够避免Te粒、Sb粒、Bi粉和Cu
1.8
S粉在高温加热过程中被氧化。
[0022]进一步，所述步骤2中首先以90～110℃/h的升温速率将石英管从室温加热到600～700℃，保温4～8h；再以90～110℃/h的升温速率将石英管升温到900～1000℃保温15～20h。
[0023]有益效果：本方案中采用分布升温的工艺，避免直接升到最高温度使金属液受到热冲的影响，尽可能保持金属液表面平稳，另外由于三种原料的熔点不同，分步加热可以保证原料全部充分融化。
[0024]进一步，所述步骤3中球磨的转速为700～900r/min，球磨时间为3～6min。
[0025]有益效果：该转速和时间下保证铸锭能够被充分研磨成粉末。
[0026]进一步，所述步骤4中的加热过程以100℃/min的加热速率升温到400℃，再以25/min的加热速率升温到410～450℃。
[0027]有益效果：本方案中采用分布升温的方式能够避免因升温速度过快使得样品加热不均匀，出现局部过热的问题。
[0028]进一步，所述步骤1中x＝0.1％～0.3％。
[0029]有益效果：该范围下热电材料内的空穴载流子的浓度得到优化，载流子的迁移率较高，同时能够获得较低的热导率。
[0030]进一步，所述步骤1中x＝0.3％。
[0031]有益效果：当x＝0.3％时，通过实验检测得到其热电优值在373K时达到峰值。
附图说明
[0032]图1为本专利技术实施例1～3和对比例1制备的Bi-Sb-Te基热电材料的XRD图谱；
[0033]图2为本专利技术实施例1～3和对比例1制备的Bi-Sb-Te基热电材料的导电性随温度变化的曲线图；
[0034]图3为本专利技术实施例1～3和对比例1制备的Bi-Sb-Te基热电材料的塞贝克系数随温度变化的曲线图；
[0035]图4为本专利技术实施例1～3和对比例1制备的Bi本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种提升Bi-Sb-Te基热电材料性能的方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤1：按照化学通式为Bi
0.42
Sb
1.58
Te3(Cu
1.8
S)
x
的摩尔分数配比，其中0＜x≤0.3％，称量Te粒、Sb粒、Bi粉和Cu
1.8
S粉，装入石英管中并抽真空；步骤2：将步骤1的石英管放置于立式管式炉中在900～1000℃温度下保温15～20h，随后随炉冷却，得到初始铸锭；步骤3：将步骤2的铸锭采用高能球磨机进行研磨，得到粉末；步骤4：将步骤3得到的粉末采用放电等离子烧结工艺，在410～450℃下保温4～8min，得到Bi-Sb-Te基热电材料，其中烧结压力为40～60MPa。2.根据权利要求1所述的一种提升Bi-Sb-Te基热电材料性能的方法，其特征在于：所述步骤1中Te粒、Sb粒和Bi粉按照熔点由高到低依次装入石英管中。3.根据权利要求1所述的一种提升Bi-Sb-Te基热电材料性能的方法，其特征在于：所述步骤1中Te粒、Sb粒、Bi粉和Cu
1.8
S粉的纯度不...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛振华，梁昊，冯晶，朱钰可，杨星，杨俊旋，王子渊，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：