專利名稱：一種提高硫化鉍多晶熱電性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于能源材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種提高硫化鉍多晶熱電性能的方法，涉及到機(jī)械合金化，水熱合成和放電等離子燒結(jié)技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)境和能源問(wèn)題越來(lái)越被人類所重視。熱電材料能夠直接實(shí)現(xiàn)熱能和電能的相互轉(zhuǎn)化，熱電器件無(wú)污染、零排放并且結(jié)構(gòu)輕便、體積小、壽命長(zhǎng)，日益受到人們的關(guān)注。以熱電器件為核心元件的熱電模塊在半導(dǎo)體制冷、溫差電池等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。在與常規(guī)的制冷方式和傳統(tǒng)電源的競(jìng)爭(zhēng)中，熱電器件實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵是熱電制冷和熱電發(fā)電效率的提高。熱電性能以無(wú)量綱熱電優(yōu)值ZT來(lái)表征， ZT^rs2"/^，s是賽貝克系數(shù)，σ是電導(dǎo)率，κ是熱導(dǎo)率，τ是絕對(duì)溫度；S20稱為功率因子，用來(lái)表征熱電材料的電傳輸性能。眾所周知，單晶體與多晶體相比較，在電導(dǎo)率高的同時(shí)熱導(dǎo)高、機(jī)械性能差。對(duì)多晶體而言，晶粒尺寸越大，電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率就越大，晶粒尺寸越小，電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率也越小。 因此對(duì)于優(yōu)良的多晶熱電材料，要求高的電導(dǎo)率和低的熱導(dǎo)率，在晶粒尺寸的優(yōu)化上存在矛盾，無(wú)法通過(guò)調(diào)整晶粒尺寸來(lái)解決既想獲得高電導(dǎo)率又想取得低熱導(dǎo)率的矛盾。硫化鉍是一種重要的半導(dǎo)體材料，禁帶寬度1. 4 eV,其在ii，b軸方向上以弱的范德華力結(jié)合，在c軸方向上以強(qiáng)的離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合。這種結(jié)構(gòu)上的強(qiáng)各向異性，使得載流子的有效質(zhì)量也存在明顯的各向異性，a方向的載流子有效質(zhì)量與c方向的載流子有效質(zhì)量之t匕為 3. 0士0. 5 (Cantarero, A. ； Martinez-Pastor, J. ； Seguraj A. Transport Properties of Bismuth Sulfide Single Crystals, Phys. Rev. B, 1987，35，9586·)。 因此，以溶液法合成硫化鉍時(shí)，容易獲得沿C軸取向的單晶體，且沿C軸方向載流子的遷移率要遠(yuǎn)高于沿 ￡i，b 軸的遷移率(Shaban, H. T. ； Nassary, Μ. M. ； El-Sadek, M.S. Transport Properties of Bi2S3 Single Crystals, Physica B2008, 403, 1655-1659.)。放電等離子燒結(jié)技術(shù)，是一種能夠?qū)崿F(xiàn)粉末低溫快速燒結(jié)制備塊體材料的新技術(shù)，能夠抑制晶粒在燒結(jié)過(guò)程中長(zhǎng)大和變形。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供的一種提高硫化鉍熱電性能的方法，基于電子選擇傳輸路徑，聲子不選擇傳輸路徑的基本原理，采用放電等離子燒結(jié)法，將取向的單晶硫化鉍納米棒固化在多晶硫化鉍塊體中，形成快速載流子遷移通道，使得多晶塊體具有與單晶體相比擬的高遷移率和高電導(dǎo)率，同時(shí)又具有較低的熱導(dǎo)率，突出地解決了單晶體和多晶體電性能和熱性能難以同時(shí)優(yōu)化的難題。—種提高硫化鉍多晶熱電性能的方法，其特征是
1、以機(jī)械合金化法制備的硫化鉍納米粉與水熱法合成的(001)取向的單晶硫化鉍納米棒以質(zhì)量比(1 0. 0廣1)混合，在無(wú)水乙醇中超聲分散1(Γ200分鐘，烘干后在瑪瑙研缽中手工研磨 (Γιοο分鐘。將研磨好的粉體置于石墨模具中，采用放電等離子燒結(jié)技術(shù)在 30(T50(TC燒結(jié)，保溫(Γ30分鐘制備出硫化鉍多晶塊體。2、上述的機(jī)械合金化法制備的硫化鉍納米粉體其特征是顆粒尺寸在5 500 nm 的無(wú)規(guī)則形貌納米粉體。3、上述水熱法合成的單晶硫化鉍納米棒的特征是具有(001)取向，納米棒的尺寸為直徑5(T200 nm、長(zhǎng)度0. 2^5 μ m。本發(fā)明利用放電等離子燒結(jié)技術(shù)，將具有優(yōu)良導(dǎo)電通道的單晶硫化鉍納米棒引入到多晶硫化鉍塊體中，在保持單晶的形貌和導(dǎo)電特性的同時(shí)，大幅提高多晶硫化鉍的電傳輸性能。


圖1為一種提高硫化鉍多晶熱電性能的原理示意圖。圖2為硫化鉍納米棒被固化在多晶中的實(shí)物掃描電鏡圖。
具體實(shí)施例方式以機(jī)械合金化法制備的硫化鉍納米粉(MA粉)與水熱法合成的(001)取向的單晶硫化鉍納米棒(NR粉)以質(zhì)量比混合，在無(wú)水乙醇中超聲分散分鐘，在3(T150°C烘干 30^300分鐘后在瑪瑙研缽中手工研磨。將研磨好的粉體置于石墨模具中，采用放電等離子燒結(jié)工藝制備出硫化鉍多晶塊體。試驗(yàn)條件如下機(jī)械合金化法制備的納米粉和水熱合成的納米棒粉的質(zhì)量比為 1:0.0廣1。超聲分散的時(shí)間為1(Γ200分鐘，手工研磨時(shí)間為1(Γ100分鐘。放電等離子燒結(jié)工藝為30(T500°C燒結(jié)，保溫(Γ30分鐘，壓力為20-60 MPa.
具體實(shí)施例見(jiàn)表1。
權(quán)利要求
1.一種提高硫化鉍多晶熱電性能的方法，其特征是以機(jī)械合金化法制備的硫化鉍納米粉體與水熱法合成的具有(001)取向的單晶硫化鉍納米棒粉體以質(zhì)量比(1:0.0廣1)混合，在無(wú)水乙醇中超聲分散1(Γ200分鐘，烘干后在瑪瑙研缽中手工研磨1(Γ100分鐘；將研磨好的粉體置于石墨模具中，采用放電等離子燒結(jié)工藝在2(T60 Mpa壓力下30(T50(TC燒結(jié)，保溫(Γ30分鐘制備出硫化鉍多晶塊體。
2.如權(quán)利要求1所述的一種提高硫化鉍多晶熱電性能的方法，其特征是機(jī)械合金化法制備的硫化鉍納米粉體是尺寸在5 500 nm的無(wú)規(guī)則形貌納米粉體。
3.如權(quán)利要求1所述的一種提高硫化鉍多晶熱電性能的方法，其特征是水熱法合成的單晶硫化鉍納米棒為(001)取向，尺寸為直徑5(T200 nm，長(zhǎng)度0.2、μ m0
全文摘要
一種提高硫化鉍多晶熱電性能的方法，屬于能源材料技術(shù)領(lǐng)域。其特征是以機(jī)械合金化法制備的硫化鉍納米粉體與水熱法合成的(001)取向的單晶硫化鉍納米棒粉體混合，在無(wú)水乙醇中超聲分散10~200分鐘，烘干后在瑪瑙研缽中手工研磨10~100分鐘。將研磨好的粉體置于石墨模具中，采用放電等離子燒結(jié)工藝在300~500℃燒結(jié)，保溫0~30分鐘制備出硫化鉍多晶塊體。放電等離子燒結(jié)加熱速度快，抑制了晶粒長(zhǎng)大和融合，使單晶納米棒結(jié)構(gòu)被保留在多晶塊體中，形成載流子遷移的快速通道，大幅提高硫化鉍多晶的電傳輸性能和熱電性能，該方法具有所需設(shè)備簡(jiǎn)單，易操作，成本低，效果顯著等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)C30B29/46GK102443848SQ20121002014
公開(kāi)日2012年5月9日 申請(qǐng)日期2012年1月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月29日
發(fā)明者張麗娟, 張波萍, 葛振華, 韓成功 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)