[发明专利]一种P型纳米结构碲化铋基块体热电材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明是关于热电材料的，尤其涉及一种使用机械合金化(Mechanical alloying，MA)结合真空热压烧结(Hot Pressing，HP)的方法制备纳米级P-型碲化铋基(Bi_0.5Sb_1.5Te₃)块体热电材料的制备方法。

背景技术

热电材料是利用热电效应，通过材料内部载流子运动将热能和电能相互耦合、相互转换的一类重要的功能材料。热电转换技术是利用半导体热电材料的赛贝克(Seebeck)效应和帕尔贴(Peltier)效应将热能和电能进行直接转换的技术，包括热电发电和热电制冷两种方式。利用Seebeck效应可以用来发电，利用Peltier效应则可以实现制冷或温度控制。该类材料在发电和制冷领域具有广泛的应用前景，发电装置具有体积小、无噪音、无磨损、可靠性好、寿命长等优点。Bi₂Te₃(碲化铋)系半导体是目前室温附近性能最优越的热电材料之一，适用于工业废热发电、汽车废气发电等方面。热电材料的热电性能的优劣主要由热电优值Z来表征：Z用下式定义：

Z＝S²σ/κ

式中，

S：赛贝克系数(V/K)

σ：电阻率(S/m)

κ：热导率(W/Km)

由此可知，为了提高热电材料的性能，有效的方法是增加赛贝克系数和电导率，降低热导率。当前热电材料研究领域的重点和难点在于制备出具有高性能和高机械性能的Bi₂Te₃系热电材料。在Bi₂Te₃基体的热电材料中，P-型Bi_0.5Sb_1.5Te₃具有很重要的研究价值。采用MA(机械合金化)的方法制备P-型Bi_0.5Sb_1.5Te₃热电材料粉末，利用机械合金化过程中球磨机高速转动所产生的机械能使原料粉末在固相下实现合金化，避免熔融状态下Bi、Te等元素的挥发问题，能够制备成分均匀、组织细小的材料，粉末的颗粒度可达纳米级。成分的均匀分布有利于减少合金散射，提高电导率，而细小的晶粒尺寸增加了低频声子的散射，可以降低材料的热导率，从而提高其热电性能。机械合金化制得的P-型纳米Bi_0.5Sb_1.5Te₃热电材料粉末采用真空热压烧结制备块体材料。热压工艺包括烧结温度、压力、气氛、升温速度、保温时间等参数。采用不同的烧结温度能显著改变材料的热导率和电导率。一般而言，温度越高、压力越大，烧结之后的样品晶粒长大充分，致密度更好，具备更好的热电性能。在烧结过程中引入惰性气体，可以减少材料的氧化。

从目前的研究来看，采用机械合金化和真快热压烧结方法制备具有纳米级颗粒的P-型Bi_0.5Sb_1.5Te₃热电材料还未见报道。本发明采用机械合金化制备纳米粉末，结合真空热压烧结方法来制备晶粒细小的P-型Bi_0.5Sb_1.5Te₃热电材料块体。通过细化晶粒来降低材料的热导率，最终提高P-型Bi_0.5Sb_1.5Te₃热电材料的热电性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种使用机械合金化结合真空热压烧结方法制备P型纳米结构Bi_0.5Sb_1.5Te₃块体热电材料，通过对制备工艺的设计和控制来提高材料的热电性能。

本发明以高纯(99.99％)Bi粉、Sb粉和Te粉为原料，通过机械合金化合成Bi_0.5Sb_1.5Te₃化合物纳米粉末，利用真空热压烧结法将Bi_0.5Sb_1.5Te₃前驱纳米粉末烧结成致密的细晶块体热电材料。本发明所采用的技术方案是：采用机械合金化(MA)和真空热压烧结(HP)制备细晶的Bi_0.5Sb_1.5Te₃热电材料的工艺。

本发明通过如下技术方案予以实现。