一种p型CaMg2Sb2基热电材料及其制备方法技术

技术编号：43166241 阅读：15 留言：0更新日期：2024-11-01 19:58

本发明专利技术公开了一种p型CaMg<subgt;2</subgt;Sb<subgt;2</subgt;基热电材料及其制备方法，属于新能源材料领域，所述CaMg<subgt;2</subgt;Sb<subgt;2</subgt;基热电材料的化学组成为：Ca<subgt;1‑x‑</subgt;<subgt;y</subgt;Yb<subgt;x</subgt;Li<subgt;y</subgt;Mg<subgt;2‑z</subgt;Cd<subgt;z</subgt;Sb<subgt;2</subgt;，其中，0＜x＜0.7，0＜y＜0.03，0＜z≤0.5；其制备方法为采用高能球磨加放电等离子烧结制备；本发明专利技术提供的p型CaMg<subgt;2</subgt;Sb<subgt;2</subgt;基热电材料，采用Yb、Li、Cd共掺杂显著提高了材料的载流子浓度和迁移率，并降低了材料的晶格热导率，材料的最高ZT在0.9～1.1；本发明专利技术实现了高载流子浓度和高迁移率的p型CaMg<subgt;2</subgt;Sb<subgt;2</subgt;基热电材料的制备，其热电性能显著提高。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及新能源材料领域，尤其涉及一种p型camg2sb2基热电材料及其制备方法。

技术介绍

1、ab2x2型zintl化合物的晶体结构位六角层状结构，空间群为p-3m1。其中，阳离子a2+层与[b2x2]2-层以离子键方式相结合，其离子键可以作为声子传输的通道，使化合物具有“声子玻璃”的特性；而聚阴离子层内的b原子与x原子是以共价键方式结合，共价键的存在可保证化合物的高电子迁移率，是“电子晶体”的一种体现。由于该类材料中存在多种化学键和多种离子位置，使其热电性能具有非常大的可调性。

2、目前，对ab2x2型zintl化合物的研究主要集中在p型ybzn2sb2，p型ybcd2sb2基热电材料中。最近，camg2sb2热电材料由于其成本较低，且具有更软离子键而备受关注。但此类材料的本征载流子浓度和迁移率很低，且晶格热导率高，使得材料本征性能很差。目前，尽管各种优化策略被实施，其p型camg2sb2材料的热电性能最高也仅达到了0.85，这限制了它的大规模应用。

技术实现思路

1、本专利技术的目的就在于提供一种新的p型camg2sb2基热电材料，以解决上述问题。

2、为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是这样的：一种p型camg2sb2基热电材料，所述camg2sb2基热电材料的化学组成为：ca1-x-yybxliymg2-zcdzsb2，其中，0 ＜ x ＜ 0.7，0 ＜ y ＜ 0.03，0 ＜ z ≤ 0.5。

3、作为优选的技术方案

4、本申请的专利技术人通过大量理论和试验研究发现，通过掺杂提高载流子浓度和迁移率，同时降低晶格热导率是提高camg2sb2材料的关键途径。具体而言，本申请采用yb、li、cd共掺杂，其中，采用适量yb、li部分取代ca，采用适量cd部分取代mg，显著提高了材料的载流子浓度和迁移率，并降低了材料的晶格热导率，实现了热电性能的提高。

5、本专利技术的目的之二，在于提供一种上述的p型camg2sb2基热电材料的制备方法，采用的技术方案为，所述方法包括以下步骤：

6、1）配料：按所述化学式中各元素的物质的量的比例称取反应原料；

7、2）将步骤1）所述反应原料密封于球磨罐中；

8、3）将步骤2）所得密封后的球磨罐放在球磨机上球磨原料，得到粉末；

9、4）将步骤3）所得粉末装入石墨模具中；

10、5）将步骤4）的石墨模具放在放电等离子烧结炉中烧结。

11、作为优选的技术方案，步骤2）中，所述密封原料到球磨罐在手套箱中进行。

12、作为进一步优选的技术方案，所述手套箱中氧浓度低于0.1 ppm，水浓度低于0.1ppm。

13、作为优选的技术方案，步骤3）中，所述球磨时采用高能球磨机，球磨机转速约为1500 r/min，球磨时间12～15 h。

14、作为优选的技术方案，步骤4）中，将粉末装入石墨模具是在充满氩气的手套箱中完成。

15、作为进一步优选的技术方案，所述手套箱中氧浓度低于0.1 ppm，水浓度低于0.1ppm。

16、作为优选的技术方案，步骤5）中，所述放电等离子烧结工艺为：在低于20 pa条件下，首先加压到5～10 mpa；然后升温到500～600℃并加压到50～70 mpa；随后保温保压5～10 min，在所述保压保温结束后进行降压降温。

17、作为进一步优选的技术方案，所有所述加压速率均为5～10 mpa/min，所述升温速率为50～100 ℃/min

18、与现有技术相比，本专利技术的优点在于：

19、一方面，本专利技术提供的p型camg2sb2基热电材料，采用yb、li、cd共掺杂显著提高了材料的载流子浓度和迁移率，获得了一个较好的电输运性能；另一方面，重元素yb和cd元素取代ca位和mg位可以增强声子散射，显著降低材料的晶格热导率，材料的最高zt在0.9～1.1。

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【技术保护点】

1.一种p型CaMg2Sb2基热电材料，其特征在于，所述CaMg2Sb2基热电材料的化学组成为：Ca1-x-yYbxLiyMg2-zCdzSb2，其中，0 ＜ x ＜ 0.7，0 ＜ y ＜ 0.03，0 ＜ z ≤ 0.5。

2.根据权利要求1所述的p型CaMg2Sb2基热电材料，其特征在于，0.2 ＜ x ＜ 0.5，0.01＜ y ＜ 0.02，0.3 ＜ z ＜ 0.5。

3.权利要求1或2所述的p型CaMg2Sb2基热电材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的p型CaMg2Sb2基热电材料的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述密封原料到球磨罐在手套箱中进行。

5.根据权利要求4所述的p型CaMg2Sb2基热电材料的制备方法，其特征在于，所述手套箱中氧浓度低于0.1 ppm，水浓度低于0.1 ppm。

6.根据权利要求3所述的p型CaMg2Sb2基热电材料的制备方法，其特征在于，步骤3）中，所述球磨时采用高能球磨机，球磨机转速约为1500 r/min，球磨时间12～15 h。

7.根据权利要求3所述的p型CaMg2Sb2基热电材料的制备方法，其特征在于，步骤4）中，将粉末装入石墨模具是在充满氩气的手套箱中完成。

8.根据权利要求7所述的p型CaMg2Sb2基热电材料的制备方法，其特征在于，所述手套箱中氧浓度低于0.1 ppm，水浓度低于0.1 ppm。

9.根据权利要求3所述的p型CaMg2Sb2基热电材料的制备方法，其特征在于，步骤5）中，所述放电等离子烧结工艺为：在低于20 Pa条件下，首先加压到5～10 MPa；然后升温到500～600℃并加压到50～70 MPa；随后保温保压5～10 min，在所述保压保温结束后进行降压降温。

10.根据权利要求9所述的p型CaMg2Sb2基热电材料的制备方法，其特征在于，所有所述加压速率均为5～10 MPa/min，所述升温速率为50～100 ℃/min。

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【技术特征摘要】

1.一种p型camg2sb2基热电材料，其特征在于，所述camg2sb2基热电材料的化学组成为：ca1-x-yybxliymg2-zcdzsb2，其中，0 ＜ x ＜ 0.7，0 ＜ y ＜ 0.03，0 ＜ z ≤ 0.5。

2.根据权利要求1所述的p型camg2sb2基热电材料，其特征在于，0.2 ＜ x ＜ 0.5，0.01＜ y ＜ 0.02，0.3 ＜ z ＜ 0.5。

3.权利要求1或2所述的p型camg2sb2基热电材料的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的p型camg2sb2基热电材料的制备方法，其特征在于，步骤2）中，所述密封原料到球磨罐在手套箱中进行。

5.根据权利要求4所述的p型camg2sb2基热电材料的制备方法，其特征在于，所述手套箱中氧浓度低于0.1 ppm，水浓度低于0.1 ppm。

6.根据权利要求3所述的p型camg2sb2基热电材料的制备方法，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭沐春，陈红，孙晨越，张勤勇，
申请(专利权)人：西华大学，
类型：发明
国别省市：

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