[发明专利]高优值的P型FeNbHfSb热电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体热电材料领域，具体涉及一种高优值的P型FeNbHfSb热电材料及其制备方法。

背景技术

热电材料是一种通过材料内部的载流子(电子或空穴)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，这个被称为Seebeck效应；而在热电材料两端加上电场后，热电材料能将电能转化为热能，一端放热而另一端吸热，被称为Petier效应，这两种效应分别使热电材料可以在发电或制冷等方面有广泛的应用背景。

用热电材料制造的发电装置可作为深层空间航天器、野外作业、海洋灯塔、游牧人群使用的电源，或用于工业余热、废热发电。用热电材料制造的制冷装置体积小、不需要化学介质，可应用于小型冷藏箱、计算机芯片和激光探测器等的局部冷却、医用便携式超低温冰箱等方面，更广泛的潜在应用领域将包括：家用冰箱、冷却，车用或家用空调装置等。用热电材料制造的装置具有无机械运动部件、无噪声、无磨损、结构简单、体积形状可按需要设计等突出优点。

热电材料的性能用“热电优值”–zT进行表征：

zT＝(α²σT/κ)

α是材料的热电势系数，σ是电导率，T是绝对温度，κ是热导率。

一种好的热电材料应具有高的电导率和热电势系数和低的热导率，高性能的热电器件要求具有性能、结构相匹配的N型和P型材料。

目前，高温发电热电材料在汽车工业、工厂废热回收、太空卫星等领域有着重要的应用。典型的高温发电热电材料为SiGe合金，其N型材料性能较高，zT值约为1.0，但P型材料性能较差，约为0.5。

近年来，Half-Heusler体系由于组成元素含量丰富，电学性能好等优点引起热电领域学者的关注。其中，N型ZrNiSn基Half-Heusler材料的zT值可达1.0，与N型SiGe相媲美。但是P型Half-Heusler材料的性能仍然较低，这是制约该体系在高温发电方面应用的一大难题。

FeNbHfSb热电材料的原料在地壳中的储量丰富，价格相对低廉。但目前，对此类热电材料的研究却很少。

发明内容

本发明提供一种新型的高优值P型FeNbHfSb热电材料及其制备方法，所述P型FeNbHfSb热电材料的最高zT值在1200K时约为1.45。

本发明公开了一种高优值的P型FeNbHfSb热电材料，原料组成为FeNb_1-xHf_xSb，其中，x＝0.06～0.2，x代表原子百分比。

作为优选，x＝0.1～0.16，x在该范围取值时，zT均高于1.1；更进一步优选，x＝0.12～0.14，实验证明，x在该范围取值时，得到的FeNbHfSb热电材料在1200K时拥有最高的zT，zT在1.4以上，作为更以进一步优选，x＝0.12和x＝0.14，此时FeNbHfSb热电材料在1200K时的zT为1.45，可满足各种场合特殊使用。

本发明还公开了所述P型FeNbHfSb热电材料的制备方法，步骤如下：

(1)按组成为FeNb_1-xHf_xSb的化学剂量比称取原料铁、铌、铪和锑，氩气保护下，经悬浮熔炼得到铸锭；

(2)将步骤(1)得到的铸锭粉碎成颗粒，再经烧结得到所述的P型FeNbHfSb热电材料。

作为优选，步骤(1)中，原料经悬浮熔炼法熔炼2-5次后得到铸锭。进一步优选为3次。

作为优选，步骤(2)中，铸锭粉碎成颗粒的粒度直径为200nm～10.0μm；进一步优选为200nm～2.0μm。这种粒度的颗粒有利于后续的烧结样品具有较低热导率，从而获得较高的热电性能。

作为优选，步骤(2)中，经放电等离子烧结技术，烧结条件优选为：800-900℃，60-70MPa，烧结时间为10-15min；作为进一步优选，在850℃、65MPa下烧结10min，得到所述的P型FeNbHfSb热电材料。烧结温度过低或者压强过小会使得样品致密度过低，将会导致材料电导率下降，不利于获得高性能的样品。烧结时间不宜过长，否则烧结试样的晶粒尺寸可能会继续长大，导致热导率升高，性能降低。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明制备了一种高优值P型FeNbHfSb热电材料，其最大zT值在1200K时达到1.45，这是目前P型Half-Heusler体系中获得的最高性能。