[发明专利]纳米复合热电转换材料及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及制造纳米复合热电转换材料的方法，其中纳米尺寸的声子散射颗粒分散在由热电转换材料制成的基体中；以及利用所述方法制造的纳米复合热电转换材料。

背景技术

热电转换材料是一种基于两种基本的热电效应(即塞贝克效应和珀尔帖效应)将热能直接转换成电能的能量材料。

使用热电转换材料的热电产生装置相比常规的发电技术具有众多优点。例如，热电产生装置具有简单的结构、坚固并且耐久性好。热电产生装置没有可移动的构件。微米尺寸的热电产生装置容易制造。热电产生装置不需要维护。热电产生装置高度可靠，具有长的寿命，不引起噪音，并且不产生污染。热电产生装置利用低温废热。

使用热电转换材料的热电冷却装置相比常规的压缩冷却技术也具有优点。例如，热电冷却装置不需要氯氟烃，并且不产生污染。小型热电冷却装置容易制造。热电冷却装置没有可移动的构件，并且不产生噪音。

因此，特别地，因为与能量相关的问题和与环境相关的问题最近变得越来越严重，所以期望热电转换材料将被投入航空、国防、建筑、地质观测、气候观测、医疗保健、卫生、微电子学等领域的实际应用中。此外，期望热电转换材料将被用于多种目的，例如，用于利用石油化学业、冶金和发电行业中的废热。

功率因数P＝S²σ和无量纲性能指数ZT＝(S²σ/κ)T用作评价热电转换材料性能的指数。在该情况下，S代表塞贝克系数，σ代表电导率，κ代表热导率，并且T代表绝对温度。也就是说，为了获得良好的热电特性，塞贝克系数S和电导率σ需要是高的，而热导率κ需要是低的。

为了散射传导热的声子，有效的是降低热导率κ。因此，已经提出一种复合热电转换材料，其中用于散射声子的颗粒(在下文称为“声子散射颗粒”)分散在由热电转换材料制成的基体中。

日本专利申请公开2000-164940(JP-A-2000-164940)描述了一种将Ag₂Te(其是热电转换材料)颗粒分散在由热电转换材料AgBiTe₂制成的基体中的技术。声子被分散的颗粒散射，因此热导率κ降低。在其制造方法中，基体材料和分散颗粒的混合物被熔融；分散的颗粒通过将混合物的温度保持在等于或高于基体材料的熔点并且等于或低于分散颗粒的熔点的温度下而均匀沉淀；然后，通过将混合物冷却至等于或低于基体熔点的温度而沉淀出基体。因此，分散颗粒在基体沉淀之前沉淀。因此，分散颗粒易于团聚，因此，分散颗粒的尺寸易于增加。结果，分散颗粒的分散度降低，散射声子的效应降低，并且降低热导率的效应降低。

日本专利申请公开2000-261047(JP-A-2000-261047)描述了一种将陶瓷颗粒分散在由热电转换材料CoSb₃制成的基体中的技术。然而，在该方法中，甚至最小的分散陶瓷颗粒也是亚微米级颗粒。因此，声子未被高度分散。即使使用纳米尺寸陶瓷颗粒，纳米尺寸陶瓷颗粒也易于团聚，结果，分散颗粒也不会是纳米尺寸颗粒。

日本专利申请公开2003-73705(JP-A-2003-73705)描述了如下技术：其中将还原剂滴入包含具有高还原电势的金属和具有低还原电势的金属的溶液中，并且具有高还原电势的金属首先沉淀，然后具有低还原电势的金属沉淀。然而，公开2003-73705仅描述了金属按还原电势降低的顺序被还原和沉淀的事实。公开2003-73705并未描述将声子散射颗粒分散到由热电转换材料制成的基体中的技术。

日本专利申请公开2008-305919(JP-A-2008-305919)描述了将包含构成热电转换材料的元素的盐和合金或金属的盐的溶液与包含还原剂的溶液混合的技术。溶液中包含的合金或金属的盐的量相对于热电转换材料中待包含的合金或金属的量过量。包括构成热电转换材料的元素的颗粒和包括金属或合金的颗粒沉淀，并且进行热处理。因此，包括金属或合金的颗粒分散在由热电转换材料制成的基体中。然后，进行烧结，因此，包括金属或合金的颗粒与基体形成一体。然而，在该方法中，包括构成基体的热电转换材料的元素的颗粒和声子散射颗粒以混合状态沉淀。因此，不可能防止沉淀的声子散射颗粒的团聚和声子散射颗粒的尺寸增加。

发明内容

本发明提供其中纳米尺寸声子散射颗粒分散在由热电转换材料制成的基体中、并且具有大幅降低的热导率和明显提高的热电转换性能的纳米复合热电转换材料，及其制造方法。