[发明专利]一种Fe掺杂BiCuSeO热电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热电材料技术领域。具体涉及一种Fe掺杂BiCuSeO热电材料及其制备方法。

背景技术

热电材料能够实现热能和电能的直接转换，在利用高温工业低品位余热和分布式低温余热进行温差发电方面具有较好的应用前景，已成为当前材料领域的研究热点。决定材料热电转换效率的关键参数“无量纲优值”ZT＝(S²σ/κ)T；其中：S为塞贝克系数、σ为电导率和κ为热导率。一种性能优良的热电材料应该满足高电动势、高电导率和低热导率的要求。目前技术上较为成熟、性能较好的热电材料多为金属半导体合金，虽然其热电转换效率相对较高，但在高温下不稳定和容易氧化，且多数原材料价格昂贵，并含有对人体有害的重金属。

相比之下，氧化物热电材料具有优良的热稳定性、化学稳定性、高温抗氧化性且安全无毒，但由于电导率较低和电输运性能较差，导致无量纲热电优值ZT不高，限制了它的应用。BiCuSeO基热电材料由于其特殊的自然超晶格结构和低杨氏模量等特点，其热导率在室温条件下为0.6Wm^-1K^-1和923K条件下为0.4Wm^-1K^-1，塞贝克系数在300K到923K温度范围内大于300μVK^-1，是一种很有前景的热电材料。但与其它氧化物热电材料一样，同样存在电导率不高、电输运性能较差、功率因子较低和无量纲热电优值ZT较低的缺陷。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种工艺简单、生产效率高的Fe掺杂BiCuSeO热电材料的制备方法，所制备的Fe掺杂BiCuSeO热电材料纯度高、热导率低、电导率较高、电传输性能好、功率因子较高和无量纲热电优值ZT较高。

为实现上述之目的，本发明采用的技术方案为：所述Fe掺杂BiCuSeO热电材料的化学式为Fe_xBi_1-xCuSeO，0.01≤x≤0.08，所述Fe掺杂BiCuSeO热电材料的制备方法是：

第一步、按照氧化铋粉∶铜粉∶硒粉∶铋粉∶铁粉的物质的量之比为1∶3∶3∶(1-3y)∶3y配料，0.01≤3y＝x≤0.08，然后混合均匀，得混合粉末。

第二步、将所述混合粉末装入球磨罐中，在惰性气氛条件下球磨5～12h，制得单相Fe_xBi_1-xCuSeO粉末，0.01≤x≤0.08。

第三步、将所述单相Fe_xBi_1-xCuSeO粉末装入模具，置于等离子体活化烧结炉内，然后同时开始匀速升温和匀速升压，同时升至温度为500～700℃和升至压强为30～100MPa，同时保温和保压，保温和保压的时间均为3～20min，再同时开始匀速降温和匀速降压，同时降至常温和常压。

所述匀速升温的速率为20～100℃/min；所述匀速降温的速率为20～50℃/min。

第四步、取出烧结后的模具，脱模，即得Fe掺杂BiCuSeO热电材料。

所述氧化铋粉的纯度为≥99.99wt％，氧化铋粉的粒径≤150μm。

所述铜粉的纯度为≥99.99wt％；铜粉的粒径≤150μm。

所述硒粒的纯度为≥99.99wt％；硒粒的粒径为≤150μm。

所述铋粉的纯度为≥99.99wt％；铋粉的粒径≤150μm。

所述铁粉的纯度为≥99.99wt％；铁粉的粒径≤150μm。

所述球磨的设备为高能行星球磨机，球料质量比为(10～25)∶1，所述高能行星球磨机的转速为200～600r/min。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下优点：

1、本发明以Bi₂O₃、Cu、Se、Bi和Fe粉为原料，采用机械合金化结合等离子体活化烧结工艺，球磨5～12h，即可获得单相Fe_xBi_1-xCuSeO(0.01≤x≤0.08)粉末；等离子体活化烧结时间最短只需18min，即在较短时间内能快速制得Fe掺杂BiCuSeO热电材料(以下简称热电材料)，所制热电材料相对密度超过98％，具有工艺简单、生产周期短、生产效率高、产品纯度高和致密度高的特点。

2、本发明采用机械合金化结合等离子体活化烧结技术制得的所述热电材料，不仅晶粒细小且成片层状，且可形成弥散分布的纳米相，能有效降低所述热电材料的热导率。