基于連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法及其應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法及其應(yīng)用，利用一個(gè)連續(xù)成分塊體作為材料數(shù)據(jù)庫，分別利用電導(dǎo)率?塞貝克系數(shù)掃描探針顯微鏡和快速熱成像技術(shù)，獲得電學(xué)和熱學(xué)性能的空間分布數(shù)據(jù)和圖像，繼而經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理得到熱電優(yōu)值的空間分布數(shù)據(jù)和圖像，實(shí)現(xiàn)高性能熱電材料的快速篩選。該技術(shù)有望數(shù)十倍甚至上百倍地縮熱電料的研發(fā)周期。
【專利說明】
基于連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種材料的物理性能快速檢測(cè)方法和應(yīng)用，特別是涉及一種成分梯度材料的物理性能快速檢測(cè)方法和應(yīng)用，應(yīng)用于非均質(zhì)材料的性能表征和非均質(zhì)材料成分快速篩選技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高通量制備和表征技術(shù)有望數(shù)十倍甚至上百倍地縮短材料的研發(fā)周期，從而為無機(jī)材料研發(fā)帶來革命性的創(chuàng)新變化。熱電材料基于塞貝克效應(yīng)和帕爾貼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能和熱能的相互轉(zhuǎn)換，即通入電流制冷、利用溫差發(fā)電。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)具有環(huán)保和可靠的優(yōu)點(diǎn)，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)無排放，無噪音，無運(yùn)動(dòng)部件，無損耗，具有很好的應(yīng)用前景。目前其大規(guī)模應(yīng)用的瓶頸是能量轉(zhuǎn)換效率低，而優(yōu)化熱電材料本身的熱電性能是提高熱電技術(shù)能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。熱電材料的性能可以利用無量綱優(yōu)值ZT衡量，ZT=S2oT/k，其中，T，S，o，k分別是溫度，材料的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。高性能熱電材料具有高的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和低的熱導(dǎo)率;因此，熱電材料的篩選和性能表征主要是關(guān)注這三個(gè)參數(shù)。傳統(tǒng)的熱電材料研究途徑是合成單個(gè)或幾個(gè)樣品，分別進(jìn)行熱電參數(shù)的表征。
[0003]熱電材料的快速篩選和高通量研究，除了通過理論方法進(jìn)行高通量計(jì)算預(yù)測(cè)外，主要涉及到熱電材料的高通量制備和高通量表征。R.Funahashi等人利用液相前驅(qū)體噴印結(jié)合溶膠凝膠的技術(shù)，制備了 1000種組分的氧化物熱電材料，單個(gè)材料呈現(xiàn)條狀的薄膜形態(tài)，并利用自制的測(cè)試設(shè)備逐個(gè)進(jìn)行電學(xué)性能的表征(R.Funahashi et al.AppliedSurface Science 223 (2004) 44-48!Measurement Science and Technology 16 (2005)70-80)。這種方法存在兩個(gè)問題，一是表征還是逐個(gè)樣品進(jìn)行，篩選效率低，二是樣品處于薄膜形態(tài)，不是實(shí)際應(yīng)用的塊材，且薄膜的熱導(dǎo)率測(cè)量仍然有較高難度。
[0004]連續(xù)成分無機(jī)塊體作為一種高通量熱電表征對(duì)象則鮮有報(bào)道，目前主要是將其應(yīng)用在能源器件、傳感器、輕質(zhì)合金、耐腐蝕材料和生物醫(yī)用材料等領(lǐng)域，其性能在某些情形下超越單相均質(zhì)材料。關(guān)于連續(xù)成分無機(jī)塊體材料的理論研究最早開展于上世紀(jì)70年代，但由于相關(guān)材料制備技術(shù)的缺乏，實(shí)驗(yàn)的研究受到制約。近些年來，連續(xù)成分塊體制備技術(shù)獲得一些進(jìn)展。連續(xù)成分無機(jī)塊體材料的制備通常分為梯度化和致密化兩個(gè)過程;而制備技術(shù)則可以大致分為堆積和輸運(yùn)兩種。在堆積技術(shù)中，原料經(jīng)計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，按不同成分梯度，層層堆積，再進(jìn)行致密化;在輸運(yùn)技術(shù)中，原料在物質(zhì)輸運(yùn)過程中利用溫度梯度等因素形成連續(xù)成分塊體材料。具體的制備方法則包括:粉末冶金法、自蔓延高溫合成、氣相沉積、電沉積和等離子噴涂等，如專利CN100404174C，CN102350566B分別公開了一種梯度成分樣品的快速制備方法。雖然在連續(xù)成分塊體材料制備技術(shù)取得一定進(jìn)展，但在材料的檢測(cè)方法效率還不夠理想，不能適應(yīng)連續(xù)成分塊體材料的開發(fā)過程的快速成分篩查需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)存在的不足，提供一種基于連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法及其應(yīng)用，本發(fā)明以連續(xù)成分塊體材料作為對(duì)象，通過掃描探針顯微鏡和快速熱成像技術(shù)，分別獲得不同成分材料的電學(xué)和熱學(xué)性能，從而實(shí)現(xiàn)熱電性能的高通量表征。
[0006]為達(dá)到上述發(fā)明創(chuàng)造目的，采用下述技術(shù)方案:
一種基于連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法，包括如下步驟:
a.以連續(xù)成分塊體材料作為檢測(cè)對(duì)象，將連續(xù)成分塊體材料沿徑向剖出薄片，然后利用電導(dǎo)率-塞貝克系數(shù)掃描探針顯微鏡對(duì)薄片進(jìn)行快速逐點(diǎn)掃描，得到薄片的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)的空間分布數(shù)據(jù)，并構(gòu)建薄片的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)的空間分布圖譜；
b.以連續(xù)成分塊體材料作為檢測(cè)對(duì)象，將連續(xù)成分塊體材料沿徑向剖出薄片，再將整個(gè)薄片切割成一系列網(wǎng)格分布式小方塊薄片，使任意相鄰的小方塊薄片之間不互相接觸，形成網(wǎng)格狀陣列樣品，然后利用快速熱成像裝置，對(duì)網(wǎng)格狀陣列樣品進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)量，得到整個(gè)薄片的熱導(dǎo)率的空間分布數(shù)據(jù)，并構(gòu)建薄片的熱導(dǎo)率的空間分布圖譜;作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，利用掩模、光刻和離子轟擊中任意一種方法或者任意幾種方法將薄片制作成網(wǎng)格狀陣列樣品，然后將網(wǎng)格狀陣列樣品放置于均勻加熱板上，并在網(wǎng)格狀陣列樣品和均勻加熱板之間涂有導(dǎo)熱膠，對(duì)網(wǎng)格狀陣列樣品底面的溫度進(jìn)行均勻設(shè)置，然后利用紅外快速熱成像系統(tǒng)測(cè)量網(wǎng)格狀陣列樣品的上表面溫度分布數(shù)據(jù)，繪制網(wǎng)格狀陣列樣品上表面的溫度-時(shí)間曲線，通過計(jì)算求得各個(gè)小方塊薄片的熱導(dǎo)率，從而得到整個(gè)薄片的上表面溫度分布數(shù)據(jù);熱導(dǎo)率測(cè)量時(shí)，考慮到面內(nèi)傳導(dǎo)問題，因此通過切割成網(wǎng)格狀陣列樣品避免該問題，通過快速熱成像，可以把熱導(dǎo)率的空間分布構(gòu)建出來；
c.利用計(jì)算機(jī)，將在步驟a和步驟b中檢測(cè)的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)率的空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)并進(jìn)行整合分析計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)不同的溫度條件下的薄片的熱電優(yōu)值的空間分布數(shù)據(jù)，并構(gòu)建薄片的熱電優(yōu)值的空間分布圖譜，以對(duì)薄片的高通量熱電性能表征數(shù)據(jù)作為連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征數(shù)據(jù)，并結(jié)合薄片的材料組分空間分布數(shù)據(jù)，構(gòu)建連續(xù)成分塊體材料的熱電性能數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫。
[0007]作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，在步驟a和步驟b中，作為高通量熱電性能表征檢測(cè)對(duì)象的連續(xù)成分塊體材料為無機(jī)材料。
[0008]作為本發(fā)明進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案，在步驟a和步驟b中，作為高通量熱電性能表征檢測(cè)對(duì)象的連續(xù)成分塊體材料為無機(jī)熱電材料。
[0009]—種本發(fā)明基于連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法的應(yīng)用，根據(jù)連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法得到的熱電性能數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，自動(dòng)篩選出連續(xù)成分塊材的最佳的材料組分。利用計(jì)算機(jī)將電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)的空間分布數(shù)據(jù)整合分析，得到整體熱電優(yōu)值的空間分布，自動(dòng)篩選出最佳的組分。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn):
1.本發(fā)明利用一個(gè)連續(xù)成分塊體作為材料數(shù)據(jù)庫，分別利用電導(dǎo)率-塞貝克系數(shù)掃描探針顯微鏡和快速熱成像技術(shù)，獲得電學(xué)和熱學(xué)性能的空間分布數(shù)據(jù)和圖像，繼而經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理得到熱電優(yōu)值的空間分布數(shù)據(jù)和圖像，實(shí)現(xiàn)高性能熱電材料的快速篩選，本發(fā)明有望數(shù)十倍甚至上百倍地縮熱電料的研發(fā)周期；
2.本發(fā)明進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)量時(shí)，考慮到面內(nèi)傳導(dǎo)問題，因此通過切割成網(wǎng)格狀陣列樣品避免該問題，通過快速熱成像，能將熱導(dǎo)率的空間分布構(gòu)建出來。
【附圖說明】
[0011]圖1為實(shí)施本發(fā)明實(shí)施例一基于連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳述如下:
實(shí)施例一:
在本實(shí)施例中，參見圖1，將三種元素M、N、R通過自動(dòng)控制進(jìn)料多反應(yīng)合成室，控制原料中R的含量，通過脈沖電流或激光點(diǎn)火，制備出連續(xù)成分樣品MaH，c沿著軸向從O至b變化。利用線切割將樣品沿著徑向剖兩次，得到100mm*50mm的薄片。以薄片作為檢測(cè)對(duì)象，將薄片放置于電導(dǎo)率-塞貝克系數(shù)掃描探針顯微鏡，然后利用電導(dǎo)率-塞貝克系數(shù)掃描探針顯微鏡對(duì)薄片進(jìn)行快速逐點(diǎn)掃描，得到薄片的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)的空間分布數(shù)據(jù)，并構(gòu)建薄片的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)的空間分布圖譜。測(cè)完后，利用掩模、光刻和離子轟擊方法將薄片制作成由1250塊的小方塊薄片組成的網(wǎng)格狀陣列樣品，將整個(gè)薄片切割成一系列網(wǎng)格分布式小方塊薄片，使任意相鄰的小方塊薄片之間不互相接觸，形成網(wǎng)格狀陣列樣品，然后將網(wǎng)格狀陣列樣品放置于鈦酸鋁陶瓷(Al2T15)制成的框架式均勻加熱板上，并在網(wǎng)格狀陣列樣品和均勻加熱板之間涂有導(dǎo)熱膠，對(duì)網(wǎng)格狀陣列樣品底面用脈沖光源照射，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)格狀陣列樣品底面的溫度進(jìn)行均勻設(shè)置，然后利用紅外快速熱成像系統(tǒng)測(cè)量網(wǎng)格狀陣列樣品的上表面溫度分布數(shù)據(jù)，繪制網(wǎng)格狀陣列樣品上表面的溫度-時(shí)間曲線，通過閃光法原理獲得熱導(dǎo)率，即通過計(jì)算求得各個(gè)小方塊薄片的熱導(dǎo)率，從而得到整個(gè)薄片的上表面溫度分布數(shù)據(jù);熱導(dǎo)率測(cè)量時(shí)，考慮到面內(nèi)傳導(dǎo)問題，因此通過切割成網(wǎng)格狀陣列樣品避免該問題，通過快速熱成像，得到整個(gè)薄片的熱導(dǎo)率的空間分布數(shù)據(jù)，并構(gòu)建薄片的熱導(dǎo)率的空間分布圖譜，將熱導(dǎo)率的空間分布構(gòu)建出來。利用計(jì)算機(jī)，將已經(jīng)檢測(cè)的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)率的空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)并進(jìn)行整合分析計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)不同的溫度條件下的薄片的熱電優(yōu)值的空間分布數(shù)據(jù)，并構(gòu)建薄片的熱電優(yōu)值的空間分布圖譜，以對(duì)薄片的高通量熱電性能表征數(shù)據(jù)作為連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征數(shù)據(jù)，并結(jié)合薄片的材料組分空間分布數(shù)據(jù)，構(gòu)建連續(xù)成分塊體材料的熱電性能數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫。本實(shí)施例通過計(jì)算機(jī)將熱電優(yōu)值的數(shù)據(jù)和空間分布計(jì)算出來，自動(dòng)篩選出最佳的材料組分，即MaNhRc^c值。本實(shí)施例得到連續(xù)成分樣SMaNb-cRc熱電性能數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，自動(dòng)篩選出連續(xù)成分樣SMaNb-cRc±夬材的最佳的材料組分。
[0013]在本實(shí)施例中，參見圖1，本實(shí)施例利用一個(gè)連續(xù)成分塊體作為材料數(shù)據(jù)庫，分別利用電導(dǎo)率-塞貝克系數(shù)掃描探針顯微鏡和快速熱成像技術(shù)，獲得電學(xué)和熱學(xué)性能的空間分布數(shù)據(jù)和圖像，繼而經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理得到熱電優(yōu)值的空間分布數(shù)據(jù)和圖像，實(shí)現(xiàn)高性能熱電材料的快速篩選。該技術(shù)有望數(shù)十倍甚至上百倍地縮熱電料的研發(fā)周期。
[0014]實(shí)施例二:
本實(shí)施例與實(shí)施例一基本相同，特別之處在于:
在本實(shí)施例中，將熱電化合物原料A和摻雜原料D的粉末通過自動(dòng)控制進(jìn)料系統(tǒng)，形成梯度化堆積，其中X沿著軸向從O到Xmax變化，并利用放電等離子燒結(jié)成連續(xù)成分塊體DxA^中A為化合物，D為摻雜元素。利用金剛石刀沿徑向切割出薄片，利用探針掃描得到電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)的空間數(shù)據(jù)，并得到圖像。然后，利用掩模、光刻和離子轟擊的方法將薄片制作成網(wǎng)格狀陣列樣品，放置于均勻加熱板上，中間涂有導(dǎo)熱膠，利用紅外快速熱成像系統(tǒng)測(cè)量上表面溫度分布，溫度越低表示熱導(dǎo)越小。最終篩選出最佳電學(xué)性質(zhì)和最低熱導(dǎo)的組分，得至IJx的最優(yōu)值。本實(shí)施例利用連續(xù)成分無機(jī)塊體實(shí)現(xiàn)高通量的熱電性能表征，實(shí)現(xiàn)高性能熱電材料的快速篩選。
[0015]上面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了說明，但本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，還可以根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明創(chuàng)造的目的做出多種變化，凡依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案的精神實(shí)質(zhì)和原理下做的改變、修飾、替代、組合或簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，只要符合本發(fā)明的發(fā)明目的，只要不背離本發(fā)明基于連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法及其應(yīng)用的技術(shù)原理和發(fā)明構(gòu)思，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法，其特征在于，包括如下步驟: a.以連續(xù)成分塊體材料作為檢測(cè)對(duì)象，將連續(xù)成分塊體材料沿徑向剖出薄片，然后利用電導(dǎo)率-塞貝克系數(shù)掃描探針顯微鏡對(duì)薄片進(jìn)行快速逐點(diǎn)掃描，得到薄片的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)的空間分布數(shù)據(jù)，并構(gòu)建薄片的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)的空間分布圖譜； b.以連續(xù)成分塊體材料作為檢測(cè)對(duì)象，將連續(xù)成分塊體材料沿徑向剖出薄片，再將整個(gè)薄片切割成一系列網(wǎng)格分布式小方塊薄片，使任意相鄰的小方塊薄片之間不互相接觸，形成網(wǎng)格狀陣列樣品，然后利用快速熱成像裝置，對(duì)網(wǎng)格狀陣列樣品進(jìn)行熱導(dǎo)率測(cè)量，得到整個(gè)薄片的熱導(dǎo)率的空間分布數(shù)據(jù)，并構(gòu)建薄片的熱導(dǎo)率的空間分布圖譜； c.利用計(jì)算機(jī)，將在所述步驟a和步驟b中檢測(cè)的電導(dǎo)率、塞貝克系數(shù)和熱導(dǎo)率的空間分布數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)對(duì)應(yīng)并進(jìn)行整合分析計(jì)算，得到對(duì)應(yīng)不同的溫度條件下的薄片的熱電優(yōu)值的空間分布數(shù)據(jù)，并構(gòu)建薄片的熱電優(yōu)值的空間分布圖譜，以對(duì)薄片的高通量熱電性能表征數(shù)據(jù)作為連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征數(shù)據(jù)，并結(jié)合薄片的材料組分空間分布數(shù)據(jù)，構(gòu)建連續(xù)成分塊體材料的熱電性能數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法，其特征在于:在所述步驟a和步驟b中，作為高通量熱電性能表征檢測(cè)對(duì)象的連續(xù)成分塊體材料為無機(jī)材料。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述基于連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法，其特征在于:在所述步驟a和步驟b中，作為高通量熱電性能表征檢測(cè)對(duì)象的連續(xù)成分塊體材料為無機(jī)熱電材料。4.根據(jù)權(quán)利要求1?3中任意一項(xiàng)所述基于連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法，其特征在于:在所述步驟b中，利用掩模、光刻和離子轟擊中任意一種方法或者任意幾種方法將薄片制作成網(wǎng)格狀陣列樣品，然后將網(wǎng)格狀陣列樣品放置于均勻加熱板上，并在網(wǎng)格狀陣列樣品和均勻加熱板之間涂有導(dǎo)熱膠，對(duì)網(wǎng)格狀陣列樣品底面的溫度進(jìn)行均勻設(shè)置，然后利用紅外快速熱成像系統(tǒng)測(cè)量網(wǎng)格狀陣列樣品的上表面溫度分布數(shù)據(jù)，繪制網(wǎng)格狀陣列樣品上表面的溫度-時(shí)間曲線，通過計(jì)算求得各個(gè)小方塊薄片的熱導(dǎo)率，從而得到整個(gè)薄片的上表面溫度分布數(shù)據(jù)。5.—種權(quán)利要求1所述基于連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法的應(yīng)用，其特征在于:根據(jù)連續(xù)成分塊材的高通量熱電性能表征方法得到的熱電性能數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)，自動(dòng)篩選出連續(xù)成分塊材的最佳的材料組分。
【文檔編號(hào)】G01N25/20GK105842276SQ201610188029
【公開日】2016年8月10日
【申請(qǐng)日】2016年3月30日
【發(fā)明人】羅宏杰, 駱軍, 吳立華, 張繼業(yè), 曹世勛, 張文清
【申請(qǐng)人】上海大學(xué)