一种低热导率镁锑铋三元合金及其调幅分解方法技术

本发明专利技术公开了一种低热导率镁锑铋三元合金及其调幅分解方法，低热导率镁锑铋三元合金具有调幅分解片层微观组织，元素Sb和Bi在垂直于片层方向上具有成分起伏。调幅分解方法包括：通过定向凝固方法获得大尺度晶粒的镁锑铋三元合金；定向热处理：温度降低到低于合金熔点80

【技术实现步骤摘要】
一种低热导率镁锑铋三元合金及其调幅分解方法


[0001]本专利技术属于合金导热
，涉及一种低热导率镁锑铋三元合金及其调幅分解方法。

技术介绍

[0002]镁锑铋三元合金Mg3Sb
1.5
Bi
0.5
是一种极具应用潜质的中温区热电材料，其热电性能由热电优值(ZT＝S2σT/κ)，其中热导率(κ)是影响热电性能的重要参数之一，如何降低合金的热导率是提高热电转换效率的关键所在。目前，Mg3Sb
1.5
Bi
0.5
合金常用的热导率优化方式为固相反应+烧结，即采用Mg、Sb、Bi粉末混合，经长时间球磨获得纳米级颗粒后烧结成块体，通过晶粒间晶界对声子的散射来降低晶格热导率。此方法采用金属粉末为原料，价格昂贵，且Mg粉极易爆炸，危险性高。此外，作为一种含有大量Mg元素的合金，晶界处原子无需的排列也使得合金极易发生氧化，从而在长时间高温服役过程中导致合金热电性能的严重恶化。而其他常用的方法如定向凝固虽然可以减少晶界的危害，但又缺少对声子的有效散射使得热导率居高不下，也对热电性能产生严重的影响。
[0003]综合上述，亟待一种新的方式在提高其抗氧化能力的同时降低合金的热导率，以提高合金的热电性能，扩大其应用范围。

技术实现思路

[0004]为了解决上述问题，本专利技术提供一种低热导率镁锑铋三元合金，具有成分起伏的调幅分解片层，提高其抗氧化能力的同时降低合金的热导率，解决了现有技术中存在的问题。
[0005]本专利技术的另一目的是，提供一种低热导率镁锑铋三元合金的调幅分解方法。
[0006]本专利技术所采用的技术方案是，一种低热导率镁锑铋三元合金，具有调幅分解片层微观组织，元素Sb和Bi在垂直于片层方向上具有成分起伏。
[0007]一种低热导率镁锑铋三元合金的调幅分解方法，包括以下步骤：
[0008]通过定向凝固方法获得镁锑铋三元合金；
[0009]定向热处理：温度降低到低于合金熔点80
‑
100℃，保温后以1.6
‑
2μm/s的速率向下抽拉，每部分样品在发热体温区内的时间为5
‑
6h，获得的层片状调幅分解组织，Sb和Bi在垂直于片层方向上具有成分起伏。
[0010]进一步的，所述通过定向凝固方法获得镁锑铋三元合金，包括以下步骤：
[0011]步骤1：镁锑铋三元合金的化学式为Mg3Sb2‑
x
Bi
x
，其中，0<x<2；按照镁锑铋三元合金中Mg、Sb和Bi的摩尔比精确称量Mg、Sb和Bi高纯金属块；
[0012]步骤2：将称量好的Mg、Sb和Bi金属块熔成铸锭；
[0013]步骤3：将熔炼所得的铸锭表面打磨后，升温至高于合金熔点200
‑
220℃，保温后以4.5
‑
5.5μm/s的速率向下抽拉3.5
‑
4.3h，进行定向凝固，获得大尺度晶粒的镁锑铋三元合金。
[0014]进一步的，所述步骤2中，镁锑铋三元合金为Mg3Sb
1.5
Bi
0.5
合金、Mg3SbBi合金或Mg3Sb
0.5
Bi
1.5
合金。
[0015]进一步的，称量好的Mg、Sb和Bi原材料通过感应熔炼的方式熔成铸锭。
[0016]进一步的，所述步骤3中，镁锑铋三元合金为Mg3Sb
1.5
Bi
0.5
合金时，升温至1180
‑
1200℃；镁锑铋三元合金为Mg3SbBi合金时，升温至1130
‑
1150℃；镁锑铋三元合金为Mg3Sb
0.5
Bi
1.5
合金时，升温至1080
‑
1100℃。
[0017]进一步的，所述步骤3中，升温速度为20
‑
30℃/min。
[0018]进一步的，所述保温时间为15
‑
20min。
[0019]进一步的，所述镁锑铋三元合金为Mg3Sb
1.5
Bi
0.5
合金时，温度降低至880
‑
900℃；镁锑铋三元合金为Mg3SbBi合金时，温度降低至830
‑
850℃；镁锑铋三元合金为Mg3Sb
0.5
Bi
1.5
合金时，温度降低至780
‑
800℃。
[0020]进一步的，所述步骤1中，Mg高纯金属块的纯度>99.95％，Sb高纯金属块的纯度>99.99％，Bi高纯金属块的纯度>99.99％。
[0021]本专利技术的有益效果是：
[0022]1、本专利技术通过定向热处理的方式获得了具有成分起伏的调幅分解片层，通过调幅分解片层对声子的散射作用，使得垂直于片层方向的热导率值远低于平行方向；其热导率值在此合金的工作温区内低于同成分的纳米级晶粒，表明利用本专利技术获得的合金所制备的热电器件在性能上优于常规方法制备的器件。
[0023]2、本专利技术没有在制备过程中引入大量晶界，即制备大尺度晶粒的合金也可以获得极低的热导率，解决了纳米晶中晶界易氧化和腐蚀的缺陷，有效提高了此材料合金构建的热电器件的转换性能和使用寿命。
附图说明
[0024]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0025]图1是本专利技术实施例中定向凝固和定向热处理装置示意图。
[0026]图2a是本专利技术实施例1中合金定向热处理2μm/s下获得的层片状调幅分解组织。
[0027]图2b是本专利技术实施例1获得的层片状调幅分解组织中Mg元素分布。
[0028]图2c是本专利技术实施例1获得的层片状调幅分解组织中Sb元素分布。
[0029]图2d是本专利技术实施例1获得的层片状调幅分解组织中Bi元素分布。
[0030]图3a是本专利技术实施例1中垂直于调幅分解片层方向Mg、Sb和Bi元素线扫描结果。
[0031]图3b是图3a中Mg、Sb和Bi元素的分布曲线图。
[0032]图4是本专利技术实施例1所得合金沿调幅分解片层和垂直方向的热导率测试结果及其与纳米级晶粒热导率值的对比。
[0033]图5是本专利技术实施例2获得的层片状调幅分解组织。
[0034]图6是本专利技术实施例2所得合金沿调幅分解片层和垂直方向的热导率测试结果。
[0035]图7是本专利技术实施例3获得的层片状调幅分解组织。
[0036]图8是本专利技术实施例3所得合金沿调幅分解片层和垂直方向的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低热导率镁锑铋三元合金，其特征在于，具有调幅分解片层微观组织，元素Sb和Bi在垂直于片层方向上具有成分起伏。2.如权利要求1所述一种低热导率镁锑铋三元合金的调幅分解方法，其特征在于，包括以下步骤：通过定向凝固方法获得镁锑铋三元合金；定向热处理：温度降低到低于合金熔点80
‑
100℃，保温后以1.6
‑
2μm/s的速率向下抽拉，每部分样品在发热体温区内的时间为5
‑
6h，获得的层片状调幅分解组织，Sb和Bi在垂直于片层方向上具有成分起伏。3.根据权利要求2所述一种低热导率镁锑铋三元合金的调幅分解方法，其特征在于，所述通过定向凝固方法获得镁锑铋三元合金，包括以下步骤：步骤1：镁锑铋三元合金的化学式为Mg3Sb2‑
x
Bi
x
，其中，0<x<2；按照镁锑铋三元合金中Mg、Sb和Bi的摩尔比精确称量Mg、Sb和Bi高纯金属块；步骤2：将称量好的Mg、Sb和Bi金属块熔成铸锭；步骤3：将熔炼所得的铸锭表面打磨后，升温至高于合金熔点200
‑
220℃，保温后以4.5
‑
5.5μm/s的速率向下抽拉3.5
‑
4.3h，进行定向凝固，获得大尺度晶粒的镁锑铋三元合金。4.根据权利要求1所述一种低热导率镁锑铋三元合金的调幅分解方法，其特征在于，所述步骤2中，镁锑铋三元合金为Mg3Sb
1.5
Bi
0.5
合金、Mg3SbBi合金或Mg3Sb
0.5
Bi
1.5
合金。5.根据权利要求3所述一种低热导率镁锑铋三元合金的调幅分解方法，其特征在于，所述步骤2中，称...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鑫，谢辉，马莹，张亚龙，魏鑫，
申请(专利权)人：西安航空学院，
类型：发明
国别省市：