一種高優(yōu)值系數(shù)的高溫合金熱電材料及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高優(yōu)值系數(shù)的高溫合金熱電材料及其制備方法，屬于熱電材料技 術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 熱電材料是利用其內(nèi)部載流子的輸運實現(xiàn)電能和熱能相互轉(zhuǎn)化的一種功能性材 料，即它可以將電能轉(zhuǎn)化為溫度差，也可以利用溫度差來進行發(fā)電。熱電材料的這種特性使 得它在溫差發(fā)電和制冷方面有這廣闊的應(yīng)用前景。
[0003] 熱電材料應(yīng)用在發(fā)電裝置上，可以作為深層空間探測器、野外作業(yè)、深海作業(yè)等的 電源，也可以用于工業(yè)廢熱發(fā)電；熱電材料應(yīng)用在制冷裝置上，可以用于冰箱、計算機芯片、 激光探測器等的局部制冷，也可以用于醫(yī)用領(lǐng)域。使用熱電材料制成的裝置具有體積小、無 噪聲、機構(gòu)簡單、無機械磨損等優(yōu)點，在能源問題日趨突出的今天，有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0004] 熱電材料的性能優(yōu)劣用一個無量綱的熱電優(yōu)值系數(shù)ZT來表征：
[0005] ZT = S2 σ T/ K
[0006] 其中S、σ、Τ、κ分別為Seebeck系數(shù)、電導(dǎo)率、絕對溫度和熱導(dǎo)率。性能優(yōu)良的 熱電材料應(yīng)具有較大的塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率以及較小的熱導(dǎo)率。
[0007]目前的高溫?zé)犭姴牧显诠I(yè)廢熱發(fā)電、太空衛(wèi)星等領(lǐng)域方面有著重要的應(yīng)用。但 是傳統(tǒng)的熱電材料有著很多的缺點，例如高溫易分解，造價高昂，工藝流程復(fù)雜，原料豐度 低等。
[0008] 銅鎳合金是一種成熟的合金材料，在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)有很廣泛的應(yīng)用。銅鎳合金有 良好的電學(xué)性質(zhì)，并且原料儲量很大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種高優(yōu)值系數(shù)的高溫合金熱電材料，該熱電 材料在高溫區(qū)具有較高的塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率，較低的熱導(dǎo)率，熱電優(yōu)值系數(shù)高。
[0010] 本發(fā)明還提供一種高優(yōu)值系數(shù)的高溫合金熱電材料的制備方法，原料來源廣，價 格低廉，制備工藝簡單。
[0011] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0012] -種高優(yōu)值系數(shù)的高溫合金熱電材料，組成通式為（I-X)Cua5Nia5 · XZrO2，其中X =0. 1~0. 9,該熱電材料在1100Κ的塞貝克系數(shù)為74. 3~86. 9 μ V/K，電阻率為0. 1~ 1.0 mQcm,功率因子為731~5521 yW/K2m ;熱導(dǎo)率為1. 2~22. 4W/Km，優(yōu)值系數(shù)ZT為 0. 26 ~0. 58。
[0013] 本發(fā)明優(yōu)選的，所述高溫合金熱電材料，組成通式為（I-X)Cua5Ni a5 ^xZrO2，其中X =0. 1 ~0. 5。 _4] 本發(fā)明的高溫合金熱電材料，是將銅鎳合金〇1。.5附。.5和ZrO2纖維加粘合劑混合后 于溫度1020~1150°C下進行燒結(jié)1~15h制得。
[0015] 上述高優(yōu)值系數(shù)的高溫合金熱電材料的制備方法，包括步驟如下：
[0016] (1)將銅鎳合金Cua5Nia5微粒、二氧化鋯纖維按照（9~1) :1的摩爾比進行混合， 得初步混合物，加入粘合劑，充分混合后進行研磨；
[0017] (2)研磨后得到的混合物料進行壓片；
[0018] (3)將步驟⑵中制得的壓片，升溫至1020~1150°C，于溫度1020~1150°C下進 行燒結(jié)時間1~15h，燒結(jié)過程中通入混合氣體，降溫至室溫，制得高優(yōu)值系數(shù)的高溫合金 熱電材料。
[0019] 本發(fā)明優(yōu)選的，所述的粘合劑為質(zhì)量濃度3~6%的聚乙烯醇溶液，聚乙烯醇溶液 的添加量為每克初步混合物中添加聚乙烯醇溶液〇. 1~〇. 3ml。
[0020] 本發(fā)明優(yōu)選的，所述的二氧化鋯纖維直徑為8~12 μ m。
[0021] 本發(fā)明優(yōu)選的，所述銅鎳合金Cua5Nia5微粒的粒徑為50~1800nm。市購產(chǎn)品，北 京德科島金科技有限公司有售。
[0022] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（1)中研磨時間為0· 5~2h。
[0023] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（2)中壓片壓成壓力為133~333MPa，所述的壓片為圓片狀， 壓片的直徑為12~18mm，厚度為6~10mm。
[0024] 本發(fā)明優(yōu)選的，所述的混合氣體為H2/Ar混合氣，H2含量為3~6%，通氣氣流流速 為 0·2L/min〇
[0025] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（3)的升溫為分階段升溫，首先從室溫以3~6°C /min的升溫 速率加熱到800°C，加熱1~2min ;然后以1~3°C /min的升溫速率加熱到1080~1150°C， 于該溫度下保溫1~6h。
[0026] 本發(fā)明優(yōu)選的，步驟（3)的降溫速率為2~5°C /min。
[0027] 本發(fā)明的優(yōu)點為：
[0028] 本發(fā)明制備了一種高優(yōu)值系數(shù)的高溫?zé)犭姴牧希渥畲骦T值在1100K是達到了 0. 58〇
[0029] 本發(fā)明制備的銅鎳合金基熱電材料，其材料成分所含的元素在地殼中儲量豐富， 且本發(fā)明中所用的銅鎳合金是一種很成熟的合金材料，價格低廉，使得本發(fā)明的成本相對 其他熱電材料低很多。
[0030] 本發(fā)明制備的銅鎳合金基熱電材料高溫穩(wěn)定性好，制備工藝簡單。
【附圖說明】
[0031] 圖1為實施例1-6制備的高溫合金熱電材料的XRD圖譜。
[0032] 圖2為實施例1-6制備的高溫合金熱電材料的Seebeck系數(shù)S隨溫度變化圖。
[0033] 圖3為實施例1-6制備的高溫合金熱電材料的電阻率P隨溫度變化圖。
[0034] 圖4為實施例1-6制備的高溫合金熱電材料的功率因子PF隨溫度的變化圖。
[0035] 圖5為實施例1-6制備的高溫合金熱電材料的熱導(dǎo)率κ隨溫度的變化圖。
[0036] 圖6為實施例1-6制備的高溫合金熱電材料的優(yōu)值系數(shù)ZT隨溫度的變化圖。
【具體實施方式】
[0037] 下面通過具體實施例結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步說明，但本發(fā)明不限于這些實施 例。
[0038] 實施例1
[0039] 一種高優(yōu)值系數(shù)的高溫合金熱電材料，組成通式為0. 9CuQ.5Nia5 · 0. lZr02。
[0040] 制備方法，步驟如下：
[0041] (1)將銅鎳合金Cua5Nia5微粒、二氧化鋯纖維按照9 :1的摩爾比進行混合，得初步 混合物，加入質(zhì)量濃度5%的聚乙烯醇溶液做粘合劑，聚乙烯醇溶液的添加量為每克初步混 合物添加聚乙烯醇溶液0. lml，充分混合后進行研磨Ih ;
[0042] (2)研磨后得到的混合物在磨具中進行壓成圓片，施加壓力為6Kpa，圓片的直徑 為15mm，厚度為8mm ;
[0043] (3)將步驟（2)中制得的圓片，在管式爐中進行燒結(jié)，并通AH2/Ar混合氣，其中H 2 含量為5%，首先從室溫以5°C /min的升溫速率加熱到800°C，加熱2min ;然后以1°C /min 的升溫速率加熱到ll〇〇°C，于該溫度下保溫6h，燒結(jié)完后，然后以5°C /min降溫到800°C， 最后自然冷卻到室溫。制得高優(yōu)值系數(shù)的高溫合金熱電材料。
[0044] 性能檢測
[0045] 使用 Rigaku D/MAX-2550P 型 X 射線衍射儀，采用 Cu K a 1 射線（λ = 〇· 15406nm)， 對樣品照射X射線，掃描角度為20°~70°，掃描步長為0.02°，得到其XRD圖譜，如圖I 所示。
[0046] 使用Linseis LSR-3/1100型Seebeck測試儀進行電學(xué)輸運特性的測量，可以同時 測得樣品的塞貝克（Seebeck)系數(shù)和電阻率，在不同溫度下的塞貝克（Seebeck)系數(shù)和電 阻率，如圖2和圖3所示。不同溫度下的功率因子PF隨溫度的變化如圖4所示。
[0047] 本實驗使用Netzsch LFA 427型激光脈沖儀和Netzsch STA 449C型熱分析儀來 測量熱導(dǎo)率，如圖5所示。
[0048] 根據(jù)上述測量值按照ZT值的計算公式可以得到樣品在1100K的優(yōu)值系數(shù)ZT。
[0049] 優(yōu)值系數(shù)ZT在不同溫度下隨溫度的變化如圖6所示。
[0050]