[发明专利]利用微波热处理制备稀土掺杂Mg2Si粉体的方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种热电材料，特别是涉及一种利用微波热处理制备稀土掺杂Mg₂Si热电材料粉体的方法。

背景技术

热电材料，顾名思义就是实现热能和电能转换的一种功能材料，相比其它清洁能源(太阳能、风能、水能、核能)，它具有更多优点，比如材料重量轻，体积小，无噪音、无运动部件、安全稳定、维护及运行成本较低、环境友好等，具有广泛的应用前景。

Mg₂Si基化合物半导体具有有效质量大、迁移率高和晶格热导率低等特点，是一种适用于200～500℃温差发电用的中温热电材料，Mg₂Si基热电材料原料来源广、价廉、无毒，被认为是少数几种环境友好的绿色热电材料之一。

目前，Mg₂Si的制备方法主要有：熔融法、机械合金化法、热压和放电等离子法和粉末冶金法，这几种方法分别存在着不足之处，主要是制备工艺复杂、Mg粉氧化损失严重、产物纯度和均匀度低，严重降低了Mg₂Si基热电材料的热电优值ZT值。

发明内容

本发明要解决的技术问题：克服现有技术中Mg₂Si制备工艺复杂、Mg粉氧化损失严重、产物纯度和均匀度低等缺点，提供一种节能环保、工艺简化、利用微波热处理制备稀土掺杂Mg₂Si粉体的方法。

本发明的技术方案：

  一种利用微波热处理制备稀土掺杂Mg₂Si粉体的方法，包括以下步骤：

（1）将镁粉、硅粉、稀土化合物和硼酸按2.05-2.10：1：0.002-0.004：0.02-0.04的摩尔比分别计量；然后将计量好的硼酸中加入硼酸质量15～30倍的纯净水中，搅拌均匀，得到硼酸水溶液；

（2）将稀土化合物到硼酸水溶液中，搅拌均匀，得到混合液；

（3）将硅粉加入到所述混合液中，搅拌均匀，得到膏状物；

（4）将所述膏状物置于非金属器皿中，经工业微波炉微波热处理，制备出前驱体；然后将前驱体冷却后粉碎，过300目筛，得到前驱体粉料；

（5）将前驱体粉料与镁粉在非氧化氛围下混合均匀，然后置于非金属器皿中，放入工业微波炉中，在非氧化氛围下进行微波烧结，制备出Mg₂Si粉体。

所述镁粉和硅粉的纯度≥99％，粒度小于300目。

所述稀土化合物为氧化镧、氧化铈或氧化镨。

所述非金属器皿为氧化铝坩埚、碳化硅坩埚、石墨坩埚或玻璃坩埚。

所述非氧化氛围是指惰性气体氛围或真空条件下。

所述惰性气体是指氮气、氩气或氦气，所述真空条件下的真空度小于10帕。

所述步骤（4）、（5）中工业微波炉的功率为30～60KW，所述微波热处理是利用微波以每分钟3～5℃的速率升温至310～350℃，并在此温度下保持25～55min，经自然冷却；所述微波烧结是利用微波以每分钟5～15℃的速率升温至650～750℃，并在此温度下保持20～50min，再自然冷却。

本发明的积极有益效果：

（1）本发明以稀土掺杂制备Mg₂Si粉体，稀土元素加入后很容易取代Mg位，可以作为施主掺杂，能提高载流子的浓度，从而提高材料的热电性能。

材料的热电性能强烈地依赖于费米能级，而费米能级的高低主要由载流子浓度决定，通过适当掺杂使载流子浓度达到最佳值，得到较高的热电优值。稀土元素电子结构复杂，能级分裂严重，能带较多，掺杂后可以对热电材料的能带进行调整从而优化热电性能。

（2）本发明采用硼酸溶解稀土化合物，得到稀土与硼酸的混合液，这样可以使各种原料混合的更加均匀，有利于反应均匀进行。

（3）本发明采用工业微波炉进行加热，和传统加热方式相比优点明显，微波加热可使材料自身整体同时升温，处理的样品晶粒更细化，结构更均匀。

（4）本发明微波加热速度快、无污染，得到的产品质量好，成品率高。另外，微波加热可以精确控制，缩短热处理时间，节约能源。

（5）本发明克服了现有Mg₂Si制备工艺复杂、镁粉氧化损失严重，以及产物纯度和均匀度低等问题，同时可以有效降低能耗，减少环境污染。