專利名稱：一種鉍－碲合金系列熱電材料的高壓制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于熱電材料技術(shù)領(lǐng)域，特別是提供了一種鉍-碲合金系列熱電材料的高壓制備方法。
背景技術(shù)：
自上一世紀(jì)50年代以來獲得最廣泛實際應(yīng)用的鉍-碲合金系列熱電半導(dǎo)體材料，一般均為采用區(qū)熔法研制的取向多晶產(chǎn)品。其中存在的問題是熱電轉(zhuǎn)換效率低(熱電優(yōu)值ZTmax≤1)，脆性大、強度低，為此科學(xué)家們進(jìn)行了大量的研究工作。結(jié)果表明高壓制備鉍-碲合金雖然在提高熱電轉(zhuǎn)換效率上并沒有太大的進(jìn)展，但可以提高其電導(dǎo)率、明顯改善機械性能及其可加工性能，并且生產(chǎn)效率高，更適合大規(guī)模生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種鉍-碲合金系列熱電材料的高壓制備方法，不僅可以提高其機械性能，而且還可以大大提高其電導(dǎo)率，使其成為有應(yīng)用前景的熱電材料。
本發(fā)明采用高壓法制備N型和P型鉍-碲合金系列熱電材料的工藝是以固相金屬鉍-銻-硒-碲合金或各金屬單質(zhì)為原始材料，采用固相反應(yīng)法，在惰性氣氛下合成所需材料，然后將其粉碎成一定粒度的粉料后，進(jìn)行冷壓成型，之后在不同的高壓下燒結(jié)，并進(jìn)行熱處理。
本發(fā)明P型和N型鉍-碲合金熱電材料的分子式分別為Bi0.5Sb1.5Te2.91Se0.99和Bi1.8Sb0.2Te2.85Se0.15，并分別以Bi和SbI3為摻雜相。
鉍-碲合金熱電材料制備方法的具體步驟如下(1)按化學(xué)計量比將金屬鉍、銻、硒和碲以及摻雜劑Bi或SbI3放入尼龍混料罐中，采用球磨法混合10-12小時，以充分混勻。
(2)將上一步所獲混合料在60-80℃烘干后，于20-25MPa冷壓成型，再放入爐中，在Ar氣保護下，于420-500℃恒溫2-4小時，以使原料充分反應(yīng)合成。
(3)將上述已合成的樣品采用震動式破碎機破碎至粒度為77μm以下。
(4)將粉碎后的產(chǎn)品在20-25MPa冷壓成型。
(5)將已成型產(chǎn)品放入高壓燒結(jié)的模具中，在1.5-6GPa下，于410-430℃燒結(jié)1-2分鐘。
本發(fā)明的優(yōu)點在于與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用固相合成和超高壓相結(jié)合的方法，可以制備出高性能的P和N型鉍-碲合金，該鉍-碲合金屬于三角晶系，具有R3m(166)對稱性。工作壓力為3GPa時，所獲得樣品在300K時的電導(dǎo)率為618.37-850.9(Ω*cm)-1，塞貝克系數(shù)為241.4-238.6(μV/K)，相應(yīng)的功率因數(shù)為4062.05-3950.59μW/(mK2)，無量綱優(yōu)值系數(shù)ZT為0.77-1.03，其抗彎強度達(dá)698.9-732.6MPa，實現(xiàn)了熱電性能與機械性能的較好的匹配，而滿足對其較高的熱電性能和可加工及工作穩(wěn)定性的要求。附圖1和2分別給出了300K下P型和N型樣品的熱電性能與機械性能隨工作壓力的變化關(guān)系。


圖1為本發(fā)明的P型Bi-Te合金電導(dǎo)率隨壓力的變化圖。其中，橫坐標(biāo)為工作壓力，縱坐標(biāo)為電導(dǎo)率。
圖2為本發(fā)明的P型Bi-Te合金塞貝克系數(shù)隨壓力的變化圖。其中，橫坐標(biāo)為工作壓力，縱坐標(biāo)為塞貝克系數(shù)。
圖3為本發(fā)明的P型Bi-Te合金ZT值隨壓力的變化圖。其中，橫坐標(biāo)為工作壓力，縱坐標(biāo)為ZT值。
圖4為本發(fā)明的P型Bi-Te合金機械強度隨壓力的變化圖。其中，橫坐標(biāo)為工作壓力，縱坐標(biāo)為機械強度。
圖5為本發(fā)明的N型Bi-Te合金電導(dǎo)率隨壓力的變化圖。其中，橫坐標(biāo)為工作壓力，縱坐標(biāo)為電導(dǎo)率。
圖6為本發(fā)明的N型Bi-Te合金塞貝克系數(shù)隨壓力的變化圖。其中，橫坐標(biāo)為工作壓力，縱坐標(biāo)為塞貝克系數(shù)。
圖7為本發(fā)明的N型Bi-Te合金ZT值隨壓力的變化圖。其中，橫坐標(biāo)為工作壓力，縱坐標(biāo)為ZT值。
圖8為本發(fā)明的N型Bi-Te合金機械強度隨壓力的變化圖。其中，橫坐標(biāo)為工作壓力，縱坐標(biāo)為機械強度。
具體實施例方式
實施例1(1)按化學(xué)計量比將粉狀金屬鉍、銻硒和碲以及摻雜劑Bi或SbI3放入放入尼龍混料罐中，采用球磨法混合10小時，以充分混勻。
(2)將上一步所獲混合料在100℃烘干10小時后于20MPa冷壓成型，再放入真空爐中，在Ar氣中，于420℃恒溫4小時，以使原料充分反應(yīng)合成。
(3)將上述已合成的樣品采用震動式破碎機破碎致粒度為77μm以下。
(4)將粉碎后的產(chǎn)品按照超高壓模具的尺寸要求，于20MPa冷壓成型。
(5)將已成型產(chǎn)品放入超高壓燒結(jié)的模具中，在1.5GPa下，于410℃燒結(jié)2分鐘。
實施例2(1)按化學(xué)計量比將粉狀金屬鉍、銻硒和碲以及摻雜劑Bi或SbI3放入放入尼龍混料罐中，采用球磨法混合10小時，以充分混勻。
(2)將上一步所獲混合料在100℃烘干10小時后于20MPa冷壓成型，再放入真空爐中，在Ar氣中，于460℃恒溫3小時，以使原料充分反應(yīng)合成。
(3)將上述已合成的樣品采用震動式破碎機破碎致粒度為77μm以下。
(4)將粉碎后的產(chǎn)品按照超高壓模具的尺寸要求，于20MPa冷壓成型。
(5)將已成型產(chǎn)品放入超高壓燒結(jié)的模具中，在3GPa下，于420℃燒結(jié)1.5分鐘。
實施例3(1)按化學(xué)計量比將粉狀金屬鉍、銻硒和碲以及摻雜劑Bi或SbI3放入放入尼龍混料罐中，采用球磨法混合10小時，以充分混勻。
(2)將上一步所獲混合料在100℃烘干10小時后于20MPa冷壓成型，再放入真空爐中，在Ar氣中，于500℃恒溫2小時，以使原料充分反應(yīng)合成。
(3)將上述已合成的樣品采用震動式破碎機破碎致粒度為77μm以下。
(4)將粉碎后的產(chǎn)品按照超高壓模具的尺寸要求，于20MPa冷壓成型。
(5)將已成型產(chǎn)品放入超高壓燒結(jié)的模具中，在6GPa下，于410℃燒結(jié)1分鐘。
實施例1-3制備得到的P型和N型材料在300K時的電導(dǎo)率，塞貝克系數(shù)，功率因數(shù)，無量綱優(yōu)值系數(shù)ZT和機械強度分別列于表1和表2，可見其熱電性能和機械強度均較高，具有很好的實用性。
表1 P型Bi-Te合金電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)、功率因數(shù)、ZT值和機械強度

表2 N型Bi-Te合金電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)、功率因數(shù)、ZT值和機械強度

權(quán)利要求
1.一種鉍-碲合金系列熱電材料的高壓制備方法，采用高壓法制備N型和P型鉍-碲合金系列熱電材料的工藝是以固相金屬鉍-銻-硒-碲合金或各金屬單質(zhì)為原始材料，采用固相反應(yīng)法，在惰性氣氛下合成所需材料，然后將其粉碎成一定粒度的粉料后，進(jìn)行冷壓成型，之后在不同的高壓下燒結(jié)，制備出分子式為Bi0.5Sb1.5Te2.91Se0.99或Bi1.8Sb0.2Te2.85Se0.15，分別以Bi和SbI3為摻雜相的熱電材料；其特征在于，制備方法的具體步驟如下a、按化學(xué)計量比將金屬鉍、銻硒和碲以及摻雜劑Bi或SbI3放入尼龍混料罐中，采用球磨法混合10-12小時，以充分混勻。b、將a步所獲混合料在60-80℃烘干后，于20-25MPa冷壓成型，再放入爐中，在Ar氣保護下，于420-500℃恒溫2-4小時，以使原料充分反應(yīng)合成；c、將已合成的樣品破碎成粒度為77μm以下；d、將粉碎后的產(chǎn)品在20-25MPa冷壓成型；e、將已成型產(chǎn)品放入高壓燒結(jié)的模具中，在1.5-6GPa下，于410-430℃燒結(jié)1-2分鐘。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種鉍－碲合金系列熱電材料的高壓制備方法，屬于熱電材料技術(shù)領(lǐng)域。鉍－碲合金系列熱電材料分子式為Bi
文檔編號H01L35/34GK1768986SQ20051008650
公開日2006年5月10日 申請日期2005年9月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年9月23日
發(fā)明者徐桂英, 吳曉峰, 姜華偉 申請人:北京科技大學(xué)