【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于热电材料，具体涉及一种高性能n型碲化铋基热电材料及其制备方法。
技术介绍
1、热电材料是一种利用固体中载流子(电子和空穴)的运动实现热能和电能之间直接相互转换的功能材料，近几十年来，对绿色能源的需求日益增长以及固体废热回收系统的开发，促进了热电材料研究的蓬勃发展。热电材料利用塞贝克效应和佩尔捷效应可实现温差发电或电制冷，其器件采用全固态电子器件结构，无工作流体，不需要任何运动组件，运行时也不排放污染，不释放有害的化学残留物、噪音和振动，机械性能可靠，被广泛应用于汽车废热或工业余热发电、电子器件制冷等领域。是一种性能优越且具有极高应用价值的环境友好型材料。
2、通常无量纲热电优值(zt)是判断材料热电性能的重要参数，长期以来，热电材料的研究基本都是围绕如何提高zt值展开。根据其计算公式zt＝s2σt/к可知，一种良好的热电材料必须具有较大的塞贝克系数s和较高电导率σ，此外，还具有较低的热导率к。然而这些物理参数之间相互密切关联，单独追求其中一个参数的增大或减小往往导致其他参数非协同性的变化，这也是目前限制热电材料商业应用的重要原因。
3、碲化铋(bi2te3)基合金是最经典的低温区热电材料，也是目前室温下性能最好，且唯一实现商业化应用的热电材料，在过去的几十年来一直受到广泛关注。bi2te3属于菱方相结构，bi原子层与te原子层按照te1-bi-te2-bi-te1顺序堆叠，构成了一个以五层原子为周期的层状结构，其原子间通过混合离子-共价键结合，中间层通过范德华相互作用连接。因此该材料具有明显
技术实现思路
1、鉴于现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种兼具高热电性能和力学性能的n型碲化铋基热电材料，并为其提供一种工艺简单、重复性好、成本低廉的制备方法。
2、针对上述目的，本专利技术提供的n型碲化铋基热电材料的化学式为cu0.02bi2te2.7-xse0.3+x+y％bi2s3，其中0.1≤x≤0.25，0≤y≤1，优选x＝0.2，y＝0.5。
3、本专利技术所述n型碲化铋基热电材料的制备方法由下述步骤组成：
4、步骤1：按照cu0.02bi2te2.7-xse0.3+x+y％bi2s3化学计量比，分别称取bi、cu、te、se、s单质，将称取的原料混合均匀后装入石英管中，真空密封后高温熔融，得到合金铸锭。
5、步骤2：将步骤1得到的合金铸锭进行球磨，得到均匀细化的粉末。
6、步骤3：将步骤2得到的粉末装入模具中进行烧结，得到致密的块体材料，即n型碲化铋基热电材料。
7、上述步骤1中，优选所述bi、cu、se、te、s单质的纯度均为99.99％以上。
8、上述步骤1中，将称取的单质混合均匀后装入石英管中进行真空密封，优选真空度≤8×10-4pa。
9、上述步骤1中，优选所述熔融分为两个阶段，第一阶段的熔融温度为450～500℃，保温时间为2～4h，第二阶段的熔融温度为800～1100℃，保温时间为6～18h。进一步优选所述熔融的升温速率为1～2℃/min。
10、上述步骤2中，所述球磨在惰性气氛保护下进行，惰性气氛包括：高真空、高纯氮气、高纯氦气、高纯氩气等，球磨方法包括：行星球磨、高能球磨、摆振球磨等，优选球磨速度为400～600r/min，球磨时间为30～90min。
11、上述步骤3中，优选所述烧结的方式为放电等离子烧结，烧结温度为400～480℃，烧结时间为5～10min，烧结压强为40～50mpa。进一步优选烧结的升温速率为50～100℃/min。
12、与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：
13、1、本专利技术所述n型碲化铋基热电材料化学式为cu0.02bi2te2.7-xse0.3+x+y％bi2s3，通过精细调控te、se含量和进一步添加bi2s3，在大幅度降低热导率的同时保持较高的功率因子，使得材料zt值得到显著提升。此外，多元素固溶还协同改善了材料的力学性能，其中最优组分的维氏硬度相较于基体材料提升了约60％。
14、2、本专利技术提供的制备方法仅包括高温熔融结合球磨以及烧结等步骤，其流程简单且成本低廉，有利于大规模的生产应用。
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1.一种高性能n型碲化铋基热电材料，其特征在于：所述热电材料的化学式为Cu0.02Bi2Te2.7-xSe0.3+x+y％Bi2S3，其中0.1≤x≤0.25，0≤y≤1。
2.根据权利要求1所述的高性能n型碲化铋基热电材料，其特征在于：x＝0.2，y＝0.5。
3.一种根据权利要求1所述的高性能n型碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括下述步骤：
4.根据权利要求3所述的高性能n型碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述Bi、Cu、Se、Te、S单质的纯度均为99.99％以上。
5.根据权利要求3所述的高性能n型碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于：步骤1，所述真空密封的真空度≤8×10-4Pa。
6.根据权利要求3所述的高性能n型碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述熔融分为两个阶段，第一阶段的熔融温度为450～500℃，保温时间为2～4h，第二阶段的熔融温度为800～1100℃，保温时间为6～18h。
7.根据权利要求6所述的高性能n型碲化铋基热电材料的
8.根据权利要求3所述的高性能n型碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于：步骤2中，所述球磨在惰性气氛保护下进行，球磨速度为400～600r/min，球磨时间为30～90min。
9.根据权利要求3所述的高性能n型碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述烧结的方式为放电等离子烧结，烧结温度为400～480℃，烧结时间为5～10min，烧结压强为40～50MPa。
10.根据权利要求9所述的高性能n型碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于：所述烧结的升温速率为50～100℃/min。
...【技术特征摘要】
1.一种高性能n型碲化铋基热电材料，其特征在于：所述热电材料的化学式为cu0.02bi2te2.7-xse0.3+x+y％bi2s3，其中0.1≤x≤0.25，0≤y≤1。
2.根据权利要求1所述的高性能n型碲化铋基热电材料，其特征在于：x＝0.2，y＝0.5。
3.一种根据权利要求1所述的高性能n型碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括下述步骤：
4.根据权利要求3所述的高性能n型碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述bi、cu、se、te、s单质的纯度均为99.99％以上。
5.根据权利要求3所述的高性能n型碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于：步骤1，所述真空密封的真空度≤8×10-4pa。
6.根据权利要求3所述的高性能n型碲化铋基热电材料的制备方法，其特征在于：步骤1中，所述熔融分为两个...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴笛，张福东，杨祖培，彭战辉，
申请(专利权)人：陕西师范大学，
类型：发明
国别省市：
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