專利名稱:利用輻照處理增強(qiáng)熱電材料性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開涉及的領(lǐng)域通常包括熱電材料處理，特別地，涉及利用輻照處理增強(qiáng)熱電 材料性能。
背景技術(shù)：
中子和離子輻照材料產(chǎn)生能夠影響材料性質(zhì)的缺陷。
發(fā)明內(nèi)容
用于增強(qiáng)熱電材料的熱電特性的方法可基于產(chǎn)生大密度的聲子散射點，通過利用 中子或其他的中性或帶電粒子，或電磁輻射(伽馬或X射線)輻射材料而在熱電材料中結(jié) 合納米尺度的內(nèi)部缺陷而產(chǎn)生所述大密度的聲子散射點。
本發(fā)明的其他示例性實施例將從以下提供的詳細(xì)描述中顯而易見。應(yīng)該理解的 是，公開本發(fā)明的示例性實施例的詳細(xì)描述及特定的實例只是為了說明目的而并不意在限 制本發(fā)明的范圍。
本發(fā)明還提供了以下解決方案
1、一種方法，包括
提供熱電材料；
輻照所述熱電材料以在所述熱電材料中產(chǎn)生納米長度量級特征。
2、如解決方案1所述的方法，其中所述納米長度量級特征包括一個或多個點缺 陷。
3、如解決方案1所述的方法，其中所述納米長度量級特征包括一個或多個晶體缺 陷。
4、如解決方案3所述的方法，其中所述一個或多個晶體缺陷包括一個或多個在所 述熱電材料中形成的新晶界。
5、如解決方案3所述的方法，其中所述一個或多個晶體缺陷包括在所述熱電材料 內(nèi)的晶格失配。
6、如解決方案3所述的方法，其中所述一個或多個晶體缺陷包括在所述熱電材料 內(nèi)的孿晶。
7、如解決方案1所述的方法，其中所述熱電材料內(nèi)的所述納米長度量級缺陷包括 一個或多個點缺陷和晶體缺陷。
8、如解決方案1所述的方法，其中輻照所述熱電材料誘導(dǎo)所述熱電材料中的元素嬗變。
9、如解決方案1所述的方法，其中輻照所述熱電材料誘導(dǎo)新元素通過離子注入進(jìn) 入所述熱電材料。
10、如解決方案1所述的方法，其中輻照所述熱電材料將元素的特定同位素結(jié)合 在所述熱電材料中。[0018]11、如解決方案1所述的方法，其中輻照所述熱電材料包括中子輻照。
12、如解決方案1所述的方法，進(jìn)一步包括熱處理所述熱電材料。
13、如解決方案1所述的方法，進(jìn)一步包括采用輻照過的熱電設(shè)備從能量源產(chǎn)生 H1^ ο
14、一種用于增強(qiáng)熱電材料的熱電品質(zhì)因數(shù)的方法，包括
提供熱電材料；
提供第一輻照設(shè)備；
將所述熱電材料引入所述第一輻照設(shè)備內(nèi)；以及
輻照所述熱電材料以在所述熱電材料中產(chǎn)生納米長度量級特征。
15、如解決方案14所述的方法，進(jìn)一步包括
提供第二輻照設(shè)備；
在所述第二輻照設(shè)備內(nèi)輻照所述熱電材料，其中在所述第一輻照設(shè)備和所述第二 輻照設(shè)備中對所述熱電材料的輻照在所述熱電材料中產(chǎn)生納米長度量級的特征。
16、如解決方案15所述的方法，其中在所述第一輻照設(shè)備內(nèi)和在所述第二輻照設(shè) 備內(nèi)對所述熱電材料的輻照是串行進(jìn)行的。
17、如解決方案15所述的方法，其中在所述第一輻照設(shè)備內(nèi)和在所述第二輻照設(shè) 備內(nèi)對所述熱電材料的輻照是并行進(jìn)行的。
18、如解決方案14所述的方法，進(jìn)一步包括采用熱處理設(shè)備熱處理所述熱電材 料。
19、如解決方案14所述的方法，其中所述第一輻照設(shè)備包括中子束設(shè)備。
20、如解決方案14所述的方法，其中所述第一輻照設(shè)備包括粒子加速器。


通過詳細(xì)描述及附圖，能夠更充分地理解本發(fā)明的示例性實施例，其中
圖1是根據(jù)示例性實施例的輻照熱電材料以誘導(dǎo)納米級缺陷及附加晶界的工藝 示意圖。
具體實施方式
下面的實施例(一個或多個)描述實質(zhì)上只是示范性(說明性)的，決不意在限 制本發(fā)明、其應(yīng)用或用途。
如圖1所示的示例性實施例描述了采用輻照設(shè)備16輻照熱電材料8以形成具有 改進(jìn)熱電性能的輻照熱電材料10的工藝。輻照前，熱電材料8可包括晶界12。在一個實施 例中，輻照后的熱電材料10可包括除晶界12之外的新晶界13。在另一實施例中，輻照熱電 材料10也可具有其他有益的材料缺陷，包括納米長度量級(納米級)尺度缺陷14或特征 14，其可位于現(xiàn)有晶界12處、新晶界13處、和/或在組成輻照熱電材料10的晶粒內(nèi)部。
上述通過輻照增強(qiáng)熱電材料10的性能可在應(yīng)用于特定設(shè)備時證明其多種工程設(shè) 計優(yōu)點，但是通?？杀黄谕麃砀倪M(jìn)材料熱電品質(zhì)因數(shù)(ZT)，該熱電品質(zhì)因數(shù)(ZT)自身取決 于其他材料特性。這些其他材料特性可包括賽貝克Geebeck)系數(shù)(S)、電阻率(P )及熱 導(dǎo)率(k)，使得ZT = S2T/k P，其中T是溫度。[0039]降低材料的熱導(dǎo)率k是可輻照增強(qiáng)材料ZT的可能機(jī)制中的一個，這能夠通過形成 納米長度量級缺陷或特征14實現(xiàn)，如上面的圖1所示。這些缺陷14的性質(zhì)可包括點缺陷、 晶體缺陷(例如圖1示出的新晶界13、或晶格失配、或?qū)\晶，等)，這由前驅(qū)體熱電材料8(即 被輻照以形成材料10的材料)中原子的輻照的彈性和非彈性散射形成。
輻照可導(dǎo)致直接或即刻產(chǎn)生上述納米級缺陷14，或者納米級缺陷14可在由熱處 理設(shè)備18的熱處理后和/或經(jīng)過機(jī)械處理設(shè)備19而出現(xiàn)，所述熱處理設(shè)備18和機(jī)械處理 設(shè)備19可與圖1所示的輻照設(shè)備16聯(lián)合使用。熱或機(jī)械處理可在輻射處理之前、期間和 /或之后發(fā)生。替代地，納米級缺陷14可由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所知的大量級輻照增強(qiáng)無 序的其他材料工藝而出現(xiàn)。
在一個特定的示例性實施例中，用于改變材料8的輻射可通過在前驅(qū)體合金或熱 電材料8中加入特定的元素同位素而內(nèi)部應(yīng)用，所述材料自然地經(jīng)歷放射性衰變并自發(fā)地 發(fā)出輻射。
在另一個特定的示例性實施例中，用于改變熱電材料8的輻射可通過熱電材料8 的輻照而外部應(yīng)用，所述材料然后經(jīng)歷外部應(yīng)用的輻射與核子之間的核反應(yīng)，例如采用中 子或其他粒子俘獲物或通過伽馬射線吸收。
在任一情形(內(nèi)部應(yīng)用或外部應(yīng)用)中，被激發(fā)的核子隨后經(jīng)歷放射性發(fā)射或核 衰變，從而變更短程(晶格)和/或長程(微結(jié)構(gòu))材料特性，因而產(chǎn)生如上面圖1所示的 優(yōu)化熱電材料10。
中子輻照可提供若干概念上的優(yōu)點，因為期望提供對塊體材料8的最大穿透(相 比于帶電粒子或電磁輻射)，導(dǎo)致甚至對非晶形點產(chǎn)生彈性和非彈性散射缺陷14。一些該 缺陷14可在臨界溫度以上自修復(fù)，因而可預(yù)期針對一些材料，最佳輻照條件可需要在必要 的密度和分布下在缺陷14中的低溫凍結(jié)，因而在可用的熱電設(shè)備的運轉(zhuǎn)溫度下產(chǎn)生亞穩(wěn) 態(tài)結(jié)構(gòu)10。
基于輻射類型(即中子、質(zhì)子、離子、伽馬射線，等)、輻射能量和輻射通量的需求， 可選擇輻照源(即輻照設(shè)備16)，其最終取決于用于制造熱電材料8的元素及誘導(dǎo)期望的熱 電材料改進(jìn)的輻射類型，其中該改進(jìn)可包括嬗變或另外的晶格點原子的替換。
在一個中子輻照的示例性實施例中，可使用的輻照設(shè)備16為中子束。在另一個示 例性實施例中，輻照設(shè)備16可以是粒子加速器。
在另一個示例性的輻照方法中，在前驅(qū)體熱電材料8中可利用穩(wěn)定的原子核。接 下來，在制造后和制造過程中，外部應(yīng)用的非放射性誘導(dǎo)輻射可應(yīng)用于材料8，注意開始的 化學(xué)物和同位素組分可需要是被特殊地改變、選擇或富集以獲取益處。這種輻照可包括由 典型的加速器或反應(yīng)堆技術(shù)產(chǎn)生的離子和粒子(中子、質(zhì)子、電子或光子)。在這種方法中， 熱電材料8的放射性從未增強(qiáng)到普通背景水平以上。
進(jìn)而，中子輻照，熱中子和快中子，能夠誘導(dǎo)元素嬗變、材料組分的一部分的放射 性激活。嬗變元素在熱電材料8的初始晶體矩陣中可具有低溶解度或甚至可不溶，使得允 許它們通過主晶格相對自由地擴(kuò)散，或者在各種源自熱處理設(shè)備18的熱處理或源自機(jī)械 處理設(shè)備19的機(jī)械處理(例如，機(jī)械設(shè)備施壓或使材料受應(yīng)力)下充分?jǐn)U散，最終濃縮為 納米級晶粒內(nèi)含物(缺陷)14或晶界結(jié)構(gòu)12。當(dāng)嬗變元素回復(fù)到其原始元素種類或其采用 了另一元素的一個更穩(wěn)定的同位素形式時，額外的缺陷轉(zhuǎn)變可以發(fā)生。即使嬗變元素仍舊如穩(wěn)定同位素一樣在原始晶格中，類似于嬗變元素的納米級沉淀物，其代表點缺陷14和可 能的納米級異質(zhì)性或能夠?qū)е略鰪?qiáng)的聲子散射的缺陷，因而降低了熱導(dǎo)率或改進(jìn)了熱電功 率(賽貝克系數(shù))。
當(dāng)其通過內(nèi)米級缺陷14的聲子散射潛在地改進(jìn)熱電材料性能時，其他形式的輻 照具有其自身的優(yōu)點。在源自設(shè)備16的帶電粒子束或離子轟擊情況下，能夠通過直接 離子注入晶格或內(nèi)含物內(nèi)而誘導(dǎo)缺陷14，和/或缺陷14能夠采取由帶電粒子產(chǎn)生的能 夠基于所采用的特定離子和動能調(diào)諧為特定的納米長度量級的拉伸散射軌跡形式。在 光子、伽馬射線的情況下(其為電磁輻射的高能形式)將會最大可能地相當(dāng)大地影響熱 電材料的改變和增強(qiáng)。盡管對熱電材料應(yīng)用伽馬輻射不是明顯創(chuàng)新，對于超導(dǎo)材料(如 Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3010)已經(jīng)觀察到在伽馬輻照后增強(qiáng)了臨界電流密度(Superconductor Science & Technology 19(1) :151-154JAN 2006)。對于熱電材料的增強(qiáng)，共同存在的伽馬 射線和其他形式的輻射可為特別有用的。
在另一示例性實施例中，不止一種的上述輻照技術(shù)也可以被串行或并行應(yīng)用于前 驅(qū)體熱電材料8。這也可結(jié)合一系列的熱和/或機(jī)械處理進(jìn)行，以進(jìn)一步增強(qiáng)最終的依賴于 其最終使用的產(chǎn)品。
在一個實施例中，材料8可具有對于非彈性散射相對高的橫截面。這種典型的材 料8可在非彈性散射期間轉(zhuǎn)變，相反于簡單地形成相同材料的同位素。進(jìn)而，這種材料8可 在原子種類之間嬗變。例如，鋯原子輻照可向核子誘導(dǎo)額外的質(zhì)子，其中產(chǎn)生鈮原子。進(jìn)而， 受輻射材料必須不在輻照后保留放射性太長時間以致不期望或在熱電設(shè)備中不可用。其他 熱電前驅(qū)體材料可以包括元素鉿、釩、銅、銻或錫。
可從任意上述方法的輻照獲益的一種示例性前驅(qū)體合金是&附511。^NiSn具有 良好的中子俘獲橫截面。另一種前驅(qū)體合金是％A13。其他的前驅(qū)體合金是填充的方鈷礦。
發(fā)現(xiàn)這些輻照后的材料10可應(yīng)用于許多與熱處理有關(guān)的用途和設(shè)備。一個非限 定的示例性應(yīng)用是汽車的廢熱回收系統(tǒng)。例如，這些材料10可以是與車輛排氣系統(tǒng)相關(guān)聯(lián) 的熱電設(shè)備的一部分。其他可以應(yīng)用這些材料的廢熱回收系統(tǒng)包括但不限于發(fā)電廠、燃料 電池或任何具有大量熱量的工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施。例如，這種具有輻照誘導(dǎo)缺陷的輻照熱電材料 可用于從能量源(諸如但不限于由車輛、發(fā)電廠、燃料電池或工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生的廢熱)產(chǎn) 生電流。
上述本發(fā)明實施例的描述實際上僅是示例性的，因而不認(rèn)為它的變體脫離本發(fā)明 的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種方法，包括 提供熱電材料；輻照所述熱電材料以在所述熱電材料中產(chǎn)生納米長度量級特征。
2.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述納米長度量級特征包括一個或多個點缺陷。
3.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述納米長度量級特征包括一個或多個晶體缺陷。
4.如權(quán)利要求
3所述的方法，其中所述一個或多個晶體缺陷包括一個或多個在所述熱 電材料中形成的新晶界。
5.如權(quán)利要求
3所述的方法，其中所述一個或多個晶體缺陷包括在所述熱電材料內(nèi)的 晶格失配。
6.如權(quán)利要求
3所述的方法，其中所述一個或多個晶體缺陷包括在所述熱電材料內(nèi)的孿晶。
7.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中所述熱電材料內(nèi)的所述納米長度量級缺陷包括一個 或多個點缺陷和晶體缺陷。
8.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中輻照所述熱電材料誘導(dǎo)所述熱電材料中的元素嬗變。
9.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中輻照所述熱電材料誘導(dǎo)新元素通過離子注入進(jìn)入所 述熱電材料。
10.如權(quán)利要求
1所述的方法，其中輻照所述熱電材料將元素的特定同位素結(jié)合在所 述熱電材料中。
專利摘要
本發(fā)明涉及利用輻照處理增強(qiáng)熱電材料性能的方法。具體地，一個實施例包括一種用于增強(qiáng)熱電材料的熱電性能的方法，該方法包括輻照處理。
文檔編號G21H5/00GKCN102097579SQ201010520444
公開日2011年6月15日 申請日期2010年9月8日
發(fā)明者C·D·費爾斯特, G·P·梅斯納, J·楊 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan