[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

本发明涉及纳米复合热电转换材料及其制造方法，在所述纳米复合热电转换材料中，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。

相关技术的描述

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，用于利用石油化学行业、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。

对于降低热导率κ，散射传导热的声子是有效的。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2000-261047(JP-A-2000-261047)描述了一种将用作声子散射颗粒的陶瓷颗粒分散在由热电转换材料CoSbx(2.7＜x＜3.4)制成的基体中的复合热电转换材料。陶瓷颗粒的尺寸范围为亚微米尺寸到几百微米尺寸。公开2000-261047也描述了制造方法，其中将基体的原料粉末与陶瓷粉末混合，使混合的粉末成形，并且进行煅烧。

在公开2000-261047中，未考虑基体和声子散射颗粒(陶瓷颗粒)之间的界面。在一个实施例中，热导率为1.8至3W/km，并且低于不包括分散的声子散射颗粒的热电转换材料CoSbx的约5W/km。然而，热导率需要进一步降低。

在日本专利申请公开2009-147145(JP-A-2009-147145)中，描述了当在基体和声子散射颗粒之间的界面处存在粗糙度(即当界面密度增加)时，由声子散射颗粒引起的声子散射效果增加。在公开2009-147145中，将用作声子散射颗粒的Al₂O₃纳米颗粒或SiO₂纳米颗粒分散在基于CoSb₃的热电转换材料基体中，并且使用基体和纳米颗粒之间的界面粗糙度。在该情况下，不可能进一步增加界面粗糙度。

发明内容

本发明提供一种具有新型结构的纳米复合热电转换材料及其制造方法，在所述纳米复合热电转换材料中由热电转换材料制成的基体和声子散射颗粒之间的界面粗糙度增加，使得热导率大幅降低，并且热电转换性能增加。

本发明的一个方面提供纳米复合热电转换材料。所述纳米复合热电转换材料包括由热电转换材料制成的结晶基体；和分散在所述结晶基体中的声子散射颗粒。所述声子散射颗粒的每一个均包括涂覆有纳米级厚度的结晶膜的至少一个非晶纳米颗粒，并且所述结晶膜的结晶结构与所述热电转换材料的结晶结构不同。

本发明的另一方面提供一种制造纳米复合热电转换材料的方法。所述方法包括将非晶纳米颗粒分散在构成热电转换材料的元素的盐的溶液中，其中在所述溶液中，所述元素中一种元素的量相对于在所述热电转换材料中的固溶限过量，并且所述元素中其余元素中的每一种的量均在固溶范围内；通过向所述溶液添加还原剂，将由所述一种元素过饱和的所述热电转换材料制成的基体-前体沉淀在所述非晶纳米颗粒周围，由此产生纳米复合颗粒；和热处理所产生的纳米复合颗粒，使得所述基体-前体形成为合金，以产生由所述热电转换材料制成的结晶基体，并且同时将所述一种元素沉淀在所述非晶纳米颗粒的表面上以产生结晶膜。