專利名稱:一種層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于新能源材料技術(shù)領(lǐng)域,具體涉及一種InSb熱電材料的制備方法。
背景技術(shù):
溫差發(fā)電是利用熱電轉(zhuǎn)換材料將熱能轉(zhuǎn)化為電能的全靜態(tài)直接發(fā)電方式,具有設(shè) 備結(jié)構(gòu)緊湊、性能可靠、運(yùn)行時(shí)無(wú)噪聲、無(wú)磨損、無(wú)泄漏、移動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn),有微小溫差存在 的情況下即可產(chǎn)生電勢(shì),在軍事、航天、醫(yī)學(xué)、微電子領(lǐng)域具有重要的作用,隨著能源與環(huán)境 問(wèn)題的日益突出,溫差電池作為適應(yīng)范圍廣和符合環(huán)保的綠色能源技術(shù)吸引了越來(lái)越多的關(guān)注。 大多數(shù)熱電化合物均為窄帶半導(dǎo)體材料,III-V族化合物均屬于窄帶半導(dǎo)體,在室 溫下InSb合金的帶隙為0. 18eV,可能適合于熱電應(yīng)用,同時(shí)現(xiàn)有的III-V族化合物生產(chǎn)企 業(yè)可以非常容易轉(zhuǎn)型為熱電器件制備。這樣將大大縮短熱電材料應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。研 究結(jié)果表明,Te摻雜的InSb化合物具有n型傳導(dǎo),具有高的電導(dǎo)率和賽貝克系數(shù),具有高 的功率因子,700K下達(dá)5X10—3Wm—乂—2,但是由于其熱導(dǎo)率過(guò)高,室溫下熱導(dǎo)率達(dá)14Wm—乂—1以 上,所以ZT值不高,由于InSb化合物具有高的熱導(dǎo)率,降低其熱導(dǎo)率將大幅度提高其熱電 性能,許多研究表明,材料低維化后的量子禁閉效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致材料費(fèi)米能級(jí)附近的電子態(tài)密 度增加使材料Seebeck系數(shù)增加,同時(shí)材料中大量的晶界散射對(duì)聲子的散射使材料的熱導(dǎo) 率大幅降低,兩方面的共同作用使材料ZT值大幅增加。在熱電發(fā)電和余熱利用領(lǐng)域具有重 要的應(yīng)用前景。但是由于InSb中In和Sb的物理性能差異大(熔點(diǎn)相差約為480度),同 時(shí)InSb化合物易結(jié)晶,因此對(duì)其晶粒度的控制非常困難。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料的制備方法,該方法工藝 簡(jiǎn)單、制備周期短。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的,本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料 的制備方法,其特征在于它包括以下步驟 1)、以顆粒狀I(lǐng)n、顆粒狀Sb為起始反應(yīng)原料,將反應(yīng)原料按化學(xué)式InSb稱重, 混合,采用2°C /min的升溫速度緩慢加熱到600 800°C,熔融5 10h后將熔體緩慢 (以2°C /min的降溫)冷卻到400 480°C ,冷卻得到母合金錠體;所述顆粒狀I(lǐng)n的純度 >".99% (質(zhì)量),顆粒狀Sb的純度^ 99.99"% (質(zhì)量); 2)、將得到的母合金錠體放入石英玻璃管中并置于感應(yīng)熔煉爐中熔煉,感應(yīng)熔煉 爐的爐內(nèi)先抽真空至5 X 10—3pa,再充以高純氬氣保護(hù),高純氬氣的純度> 99. 99 % (質(zhì)量), 感應(yīng)熔煉爐的加熱電流為8 IOA,電壓為200 260V,得到熔體;在氬氣氛中對(duì)熔體進(jìn)行 甩帶(熔體在單輥急冷設(shè)備中),熔體在0. 02MPa 0. 06MPa的噴氣壓力下(氬氣)噴射 到以線速度為10 40m/s高速旋轉(zhuǎn)的銅輥表面,得到厚度8 10 ii m、寬1 2mm的非晶/ 納米晶連續(xù)帶狀產(chǎn)物;
3)、將步驟2)得到的帶狀產(chǎn)物粗磨成粉末,將粉末裝入石墨模具中壓實(shí),用放電等離子燒結(jié)方法于小于10Pa真空條件下進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)溫度為40(TC 60(TC,升溫速率5(TC IO(TC /min,壓力為30MPa 40MPa,燒結(jié)時(shí)間為5min,得到單相、相對(duì)密度大于98%、具有40nm的層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料(即層狀納米結(jié)構(gòu)的納米n型InSb化合物塊體材料)。 單輥急冷法,是將初始原料加熱成均勻的熔體,熔體在一定的氬氣噴射壓力下從石英玻璃管底部的小孔被吹出,噴射到飛速旋轉(zhuǎn)的銅輥上,通過(guò)調(diào)節(jié)氬氣噴射壓力和銅輥的旋轉(zhuǎn)速率來(lái)改變?nèi)垠w的冷卻速率。 本發(fā)明的有益效果是采用熔體旋甩工藝使母合金錠體中的各成分進(jìn)一步分布均勻,且得到的非晶、納米晶結(jié)構(gòu)有利于在其后的放電等離子燒結(jié)過(guò)程中快速形成納米晶粒尺寸均勻的InSb,并實(shí)現(xiàn)快速致密化。本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單易控、反應(yīng)時(shí)間短(制備周期短)、能耗低、安全無(wú)污染、重復(fù)性好、得到塊體材料熱電性能高等特點(diǎn)。獲得的具有40nm的層狀納米結(jié)構(gòu)的InSb化合物塊體材料,且根據(jù)具體試驗(yàn)參數(shù)不同,晶粒尺寸可調(diào)控。具有良好的工業(yè)化前景。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的制備工藝流程圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的母合金錠體的XRD圖譜。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的帶狀產(chǎn)物的XRD圖譜。 圖4為本發(fā)明實(shí)施例1的帶狀產(chǎn)物的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)照片,圖4a、b為本
發(fā)明實(shí)施例的帶狀產(chǎn)物的接觸面場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)照片,圖4c、d為本發(fā)明實(shí)施例的
帶狀產(chǎn)物的接觸面場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)照片。(a) 、 (b)為自由面;(c) 、 (d)為接觸面。 圖5是本發(fā)明實(shí)施例1的層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料的XRD圖譜。 圖6為本發(fā)明實(shí)施例1的層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)照片。
具體實(shí)施例方式
為了更好的理解本發(fā)明,下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步闡明本發(fā)明的內(nèi)容,但本發(fā)明的
內(nèi)容并不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
實(shí)施例1 : 如圖1所示,一種層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料的制備方法,它包括以下步驟
1)、以顆粒狀I(lǐng)n、顆粒狀Sb為起始反應(yīng)原料,將反應(yīng)原料按化學(xué)式InSb稱重,共計(jì)5g,混合,采用2°C /min的升溫速度緩慢加熱到800°C ,熔融10h后將熔體緩慢(以2°C /min的降溫)冷卻到45(TC,冷卻得到母合金錠體(致密金屬光澤錠體,為下步反應(yīng)的母合金錠體);所述顆粒狀I(lǐng)n的純度^ 99.99% (質(zhì)量),顆粒狀Sb的純度^ 99. 9999% (質(zhì)量);母合金錠體的XRD圖譜見(jiàn)圖2。 2)、將得到的母合金錠體放入底部有一直徑為0. 35mm圓孔的石英玻璃管中并置于感應(yīng)熔煉爐中熔煉,感應(yīng)熔煉爐的爐內(nèi)先抽真空至5X 10—3Pa,再充以高純氬氣保護(hù),高純氬氣的純度^ 99. 99% (質(zhì)量),感應(yīng)熔煉爐的加熱電流為8A,電壓為200V,得到熔體;在氬
4氣氛中對(duì)熔體進(jìn)行甩帶(熔體在單輥急冷設(shè)備中),熔體在O. 03MPa的噴氣壓力下(氬氣)噴射到以線速度為40m/s高速旋轉(zhuǎn)的銅輥表面,得到厚度8 10 m、寬1 2mm的非晶/納米晶連續(xù)帶狀產(chǎn)物; 帶狀產(chǎn)物的XRD圖譜見(jiàn)圖3,由圖3可見(jiàn)帶狀產(chǎn)物為單相的InSb ;帶狀產(chǎn)物的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片見(jiàn)圖4,由圖4可見(jiàn),帶狀產(chǎn)物的自由面(與銅輥直接接觸的一面,另一面為自由面)平均晶粒尺寸約300nm,帶狀產(chǎn)物的接觸面無(wú)顯微細(xì)節(jié),類似非晶。
3)、將步驟2)得到的帶狀產(chǎn)物粗磨成粉末,將粉末裝入石墨模具中壓實(shí),用放電等離子燒結(jié)方法于小于10Pa真空條件下進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)溫度為450°C ,升溫速率60°C/min,壓力為40MPa,燒結(jié)時(shí)間為5min,得到單相、相對(duì)密度大于98%、具有40nm的層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料(即層狀納米結(jié)構(gòu)的納米n型InSb化合物塊體材料)。
得到的層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料的XRD圖譜見(jiàn)圖5,由圖5可知,帶狀產(chǎn)物經(jīng)放電等離子燒結(jié)后得到了單相填充式方鈷礦化合物;層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料的場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡照片見(jiàn)圖6,由圖6可知,制備出了具有層狀納米結(jié)構(gòu)的InSb化合物塊體材料,納米結(jié)構(gòu)的尺寸為40nm左右。
實(shí)施例2 : —種層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料的制備方法,它包括以下步驟
1)、以顆粒狀I(lǐng)n、顆粒狀Sb為起始反應(yīng)原料,將反應(yīng)原料按化學(xué)式InSb稱重,共計(jì)5g,混合,采用2°C /min的升溫速度緩慢加熱到600°C ,熔融5h后將熔體緩慢(以2°C /min的降溫)冷卻到40(TC,冷卻得到母合金錠體;所述顆粒狀I(lǐng)n的純度^ 99. 99% (質(zhì)量),顆粒狀Sb的純度^ 99. 9999% (質(zhì)量); 2)、將得到的母合金錠體放入石英玻璃管中并置于感應(yīng)熔煉爐中熔煉,感應(yīng)熔煉爐的爐內(nèi)先抽真空至5 X 10—3pa,再充以高純氬氣保護(hù),高純氬氣的純度> 99. 99 % (質(zhì)量),感應(yīng)熔煉爐的加熱電流為8A,電壓為260V,得到熔體;在氬氣氛中對(duì)熔體進(jìn)行甩帶(熔體在單輥急冷設(shè)備中),熔體在O. 02MPa的噴氣壓力下(氬氣)噴射到以線速度為10m/s高速旋轉(zhuǎn)的銅輥表面,得到帶狀產(chǎn)物; 3)、將步驟2)得到的帶狀產(chǎn)物粗磨成粉末,將粉末裝入石墨模具中壓實(shí),用放電等離子燒結(jié)方法于小于10Pa真空條件下進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)溫度為400°C ,升溫速率50°C /min,壓力為30MPa,燒結(jié)時(shí)間為5min,得到單相、相對(duì)密度大于98%、具有40nm的層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料。
實(shí)施例3 : —種層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料的制備方法,它包括以下步驟
1)、以顆粒狀I(lǐng)n、顆粒狀Sb為起始反應(yīng)原料,將反應(yīng)原料按化學(xué)式InSb稱重,共計(jì)5g,混合,采用2°C /min的升溫速度緩慢加熱到800°C ,熔融10h后將熔體緩慢(以2°C /min的降溫)冷卻到48(TC,冷卻得到母合金錠體;所述顆粒狀I(lǐng)n的純度^ 99. 99% (質(zhì)量),顆粒狀Sb的純度^ 99. 9999% (質(zhì)量); 2)、將得到的母合金錠體放入石英玻璃管中并置于感應(yīng)熔煉爐中熔煉,感應(yīng)熔煉爐的爐內(nèi)先抽真空至5 X 10—3Pa,再充以高純氬氣保護(hù),高純氬氣的純度> 99. 99 % (質(zhì)量),感應(yīng)熔煉爐的加熱電流為IOA,電壓為260V,得到熔體;在氬氣氛中對(duì)熔體進(jìn)行甩帶(熔體在單輥急冷設(shè)備中),熔體在O. 06MPa的噴氣壓力下(氬氣)噴射到以線速度為40m/s高速旋轉(zhuǎn)的銅輥表面,得到帶狀產(chǎn)物; 3)、將步驟2)得到的帶狀產(chǎn)物粗磨成粉末,將粉末裝入石墨模具中壓實(shí),用放電等離子燒結(jié)方法于小于10Pa真空條件下進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)溫度為60(TC,升溫速率IO(TC /min,壓力為40MPa,燒結(jié)時(shí)間為5min,得到單相、相對(duì)密度大于98%、具有40nm的層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料。
權(quán)利要求
一種層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料的制備方法,其特征在于它包括以下步驟1)、以顆粒狀I(lǐng)n、顆粒狀Sb為起始反應(yīng)原料,將反應(yīng)原料按化學(xué)式InSb稱重,混合,采用2℃/min的升溫速度緩慢加熱到600~800℃,熔融5~10h后將熔體緩慢冷卻到400~480℃,冷卻得到母合金錠體;所述顆粒狀I(lǐng)n的純度≥99.99%(質(zhì)量),顆粒狀Sb的純度≥99.9999%(質(zhì)量);2)、將得到的母合金錠體放入石英玻璃管中并置于感應(yīng)熔煉爐中熔煉,感應(yīng)熔煉爐的爐內(nèi)先抽真空至5×10-3Pa,再充以高純氬氣保護(hù),高純氬氣的純度≥99.99%(質(zhì)量),感應(yīng)熔煉爐的加熱電流為8~10A,電壓為200~260V,得到熔體;在氬氣氛中對(duì)熔體進(jìn)行甩帶,熔體在0.02MPa~0.06MPa的噴氣壓力下噴射到以線速度為10~40m/s高速旋轉(zhuǎn)的銅輥表面,得到帶狀產(chǎn)物;3)、將步驟2)得到的帶狀產(chǎn)物粗磨成粉末,將粉末裝入石墨模具中壓實(shí),用放電等離子燒結(jié)方法于小于10Pa真空條件下進(jìn)行燒結(jié),燒結(jié)溫度為400℃~600℃,升溫速率50℃~100℃/min,壓力為30MPa~40MPa,燒結(jié)時(shí)間為5min,得到層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種InSb熱電材料的制備方法。一種層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料的制備方法,其特征在于它包括以下步驟1)以顆粒狀I(lǐng)n、顆粒狀Sb為起始反應(yīng)原料,將反應(yīng)原料按化學(xué)式InSb稱重,混合,熔融冷卻得到母合金錠體;2)將得到的母合金錠體放入石英玻璃管中并置于感應(yīng)熔煉爐中熔煉,熔體在0.02MPa~0.06MPa的噴氣壓力下噴射到以線速度為10~40m/s高速旋轉(zhuǎn)的銅輥表面,得到帶狀產(chǎn)物;3)將步驟2)得到的帶狀產(chǎn)物粗磨成粉末,用放電等離子燒結(jié),得到單相、相對(duì)密度大于98%、具有40nm的層狀納米結(jié)構(gòu)InSb熱電材料。本發(fā)明具有工藝簡(jiǎn)單易控、反應(yīng)時(shí)間短、能耗低、安全無(wú)污染、重復(fù)性好、得到塊體材料熱電性能高等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C30B1/00GK101694010SQ200910272328
公開(kāi)日2010年4月14日 申請(qǐng)日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者唐新峰, 張清杰, 李涵, 蘇賢禮 申請(qǐng)人:武漢理工大學(xué);