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);