[发明专利]一种高力学性能方钴矿基热电复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种方钴矿基热电复合材料及其制备方法，具体涉及一种高力学性能方钴矿基热电复合材料及其制备方法，属于热电材料领域。

背景技术

热电转换技术由于能利用热电材料的塞贝克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltier)效应及汤姆逊(Thomson)效应直接实现热能和电能之间的相互转换而受到广泛关注，在制冷和发电领域有着广阔的应用前景。理想的热电材料需要具备大的赛贝克系数，低的热导率(维持接头处热量)，低的电阻率(产生最小的焦耳热)。该理论可用无量纲热电优值ZT来衡量，表示为ZT＝S²σT/k。ZT值越大，则热电器件转换效率越高。

综合材料性能、制备技术、环境友好和材料成本诸因素，填充方钴矿材料是目前最有潜力用于中温区(室温到500℃)发电的热电材料。通过单填、双填到多填以及纳米复合等方式，填充方钴矿热电性能的研究已经取得了许多成果，材料的热电优值(ZT值)已经获得了很大的提升，多填n型填充方钴矿在850K下的ZT值为1.7，(X.Shi,J.Yang,J.R.Salvador,M.Chi,J.Y.Cho,H.Wang,S.Bai,J.Yang,W.Zhang,L.Chen,J.Am.Chem.Soc.133(2011)7837-7846.)是目前填充方钴矿体系中最高的ZT值。

热电器件技术是热电材料技术走向热电系统应用技术的重要环节。热电器件在长期应用中的良好服役性能取决于优异的材料性能和先进的器件设计和制造水平，而其优异的材料性能既包括热电性能也涉及力学性能，因为热电材料需要承受因高温、大温差及其与电极材料热膨胀失配等因素造成的高应力应变使用环境。因此从热电材料的层次上讲，一个服役性能良好的热电材料需要既具备优异的热电性能又需要具备良好的力学性能。

根据现有的报道数据，填充方钴矿的力学性能很差，抗折强度和断裂韧性仅为～50MPa和约1-2MPam^1/2(V.Ravi,S.Firdosy,T.Caillat,B.Lerch,A.Calamino,R.Pawlik,M.Nathal,A.Sechrist,J.Buchhalter,S.Nutt,M.S.ElGenk(Ed.)Space Technology and Applications International Forum Staif2008,pp.656-662.)，如此低的力学性能将严重影响方钴矿热电器件及其应用系统的服役性能。

复合材料通常具有较基体材料高的物理性能，目前对于方钴矿纳米复合材料制备技术有以下几种。机械混合引入纳米颗粒，(陈立东，史迅，柏胜强，锑化钴基热电复合材料及制备方法，中国专利200410025544.X)；原位析出某一组元，(Y.Imanishi,M.Miyoshi,K.Shinohara,M.Kobayashi,Thermoelectric conversion material and a process for producing the same,US Pat.5,965,841)；氧化热电基体或其中某一组分原子，(陈立东，赵雪盈，柏胜强，史迅，一种填充方钴矿基热电复合材料及其制备方法，中国专利200610027340.9)；液相复合，(陈立东，熊震，陈喜红，黄向阳，莫尼卡·拜克浩斯，何琳，热电复合材料及其制备方法，中国专利200910054622.1)但这些研究都侧重于提升复合材料的热电性能，而并未关注在应用领域中与热电性能同样重要的力学性能。