[发明专利]一种制备纳米Mg2-xSiREx热电材料的方法

说明书

技术领域

本发明一种制备高纯纳米Mg_2-xSiRE_x热电材料的方法，属于热电材料制备领域，具体而言是一种高纯纳米Mg_2-xSiRE_x热电材料的制备技术方案，特别是对中温区温差发电或制冷技术所需的半导体材料的制备。

背景技术

热电材料是一种通过载流子(电子或空穴)的运动实现电能和热能直接相互转换的半导体材料。当热电材料两端存在温差时，热电材料能将热能转化为电能输出；或反之在热电材料中通以电流时，热电材料能将电能转化为热能，一端放热而另一端吸热。热电材料在制冷或发电等方面有广泛的应用背景。热电材料的性能用“热电优值”Z表征：Z＝(α²σ/k)。这里α是材料的热电势系数，σ是电导率，k是热导率。一种好的热电材料应具有接近晶体的电导率和类似玻璃的热导率。硅化镁热电材料资源丰富、底层蕴藏量大、价格低廉，无毒无污染，受到了越来越多的关注。目前硅化镁热电材料传统的制备方法为利用单质的Mg粉和Si粉直接冶炼化合而成，制备技术主要包括机械合金化(MA)，热压(HP)，放电等离子烧结(SPS)等。存在的主要问题是制备工艺复杂、Mg粉氧化损失严重、产物纯度和均匀度低，严重降低了Mg₂Si基热电材料的ZT值。

发明内容

本发明一种制备高纯纳米Mg_2-xSiRE_x热电材料的方法目的在于：为了克服上述Mg₂Si制备的困难，提供一种添加稀土元素高纯纳米Mg₂Si的，高效简便的制备高纯纳米Mg_2-xSiRE_x热电材料的方法。

本发明一种制备高纯纳Mg_2-xSiRE_x热电材料的方法，其特征在于是一种用MgH₂替代传统Mg粉在管式炉中Ar气保护下与纳米Si粉反应制备出颗粒度小于50nm的高纯纳米Mg_1-xSiREx粉末的方法。该方法由原材料MgH₂、Si粉和稀土元素(RE)粉在管式炉中Ar气保护下反应得到高纯纳米Mg_2-xSiRE_x粉末，反应全过程有流动Ar气保护，反应方程式为：(2-x)MgH₂+Si+xRE＝Mg_2-xSiRE_x+(2-x)H₂↑x＝0～0.05RE＝Y、Sc、Pr，(1)所述的制备该材料的原材料MgH₂粉、Si粉和RE粉颗粒度小于30nm，其配方摩尔比为(2-x)mol MgH₂∶1mol Si∶x mol RE(x＝0～0.05，RE＝Y、Sc、Pr)，其具体步骤为：将MgH₂粉、Si粉和RE粉在手套箱中按Mg_2-xSiRE_x(x＝0～0.05，RE＝Y、Sc、Pr)的化学计量比称量后，装入试样瓶中，将瓶口密封，再将密封好的试样瓶置于混粉机上混粉5～6小时，然后在手套箱中把混好的粉末装入石英管4中密封，把石英管4置于管式炉3中，两端分别与氩气瓶1和插入矿物油7中的排气管连接；先打开氩气进气阀2，后打开另一端排气阀6，使插入矿物油7中的排气管有持续气泡冒出，并防止空气倒流入管内；以2～10℃/min升温速率升到350℃，石英管4中的混合粉开始按式1反应，在345～355℃保温10～15小时，然后切断电源，使反应生成的Mg_2-xSiRE_x粉末随炉冷却。

本发明一种制备高纯纳米Mg_2-xSiRE_x热电材料的方法具有的有益效果是：

MgH₂不易与氧反应，在配粉以及装入真空管式炉过程中有效避免了氧的侵入，在加热反应阶段，炉体内通入Ar气保护，反应副产物H₂也有助于防止产物氧化，从而保证了产物的高纯度，纯度大于99.9％。由于MgH₂粉、Si粉和RE粉在350℃就可发生反应，在345～355℃保温10～15小时，让反应过程缓慢进行，保证了反应产物Mg_2-xSiRE_x粉末的颗粒度在小于50nm水平，且产物的成分分布均匀。

附图说明