[发明专利]一种超晶格结构热功能陶瓷材料及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种超晶格结构热功能陶瓷材料及其制备方法与应用。所述的超晶格结构热功能陶瓷材料以纯度大于99.99%的氧化铟、氧化锌及氧化镓作为前驱粉体，采用固相合成法，通过湿磨法球磨6小时，后置于烘箱中343K烘干，干燥的粉体研磨并过筛。将所获得的粉体压片，并放入高温马弗炉中，1473~1623K保温后的样品再次研磨过筛。将所获粉体置于石墨模具中，采用放电等离子（SPS）烧结工艺在1173~1273K烧结0~20分钟制备出InGaZn_kO_k+3陶瓷块体。放电等离子烧结技术由于其特殊的烧结机理，使陶瓷能够在较短的时间内和相对较低的温度下实现致密化烧结，使其晶粒更加细小和均匀，试样的力学性能优于传统的马弗炉烧结试样。该工艺制备的InGaZn_kO_k+3陶瓷块体具有层状超晶格结构，可有效地降低热导率。

技术领域

本发明属于材料技术领域，具体涉及一种超晶格结构热功能陶瓷材料及其制备方法与应用。

背景技术

中国作为世界上最大能源消费国，深受资源短缺和资源利用效率低等问题的困扰，迫切需要新的能源技术来缓解化石燃料过度消耗及其造成的环境破坏、气候恶化等一系列问题。目前我国的总体能源利用效率为33%左右，比发达国家低约10个百分点，其中50%的工业耗能以各种形式的余热被直接废弃。因此，发展工业余废热的高效利用技术，对节能减排、保护环境，进一步提升我国制造业在国际市场上的竞争力和地位具有重要意义。

金属氧化物多为离子晶体而长期被认为载流子迁移率低而不适合作为热电材料。直至1997 年日本科学家Terasaki发现NaCo₂O₄单晶具有优异的热电性能后，这一领域才引起人们的重视。与常用的合金热电材料（如Bi-Te, Bi-Se 体系等）相比，氧化物热电材料具有耐氧化、耐高温、不含有毒易挥发元素等优点，适用于工业废热发电、汽车废气发电等方面。目前氧化物热电材料的主要劣势在于工作效率比较低。通常用无量纲优值ZT来衡量材料的热电性能：ZT=S²σT/κ，其中T、S、σ和κ分别为绝对温度、Seebeck系数、电导率和热导率。因此，通过一定的工艺手段，提高材料的Seebeck系数S和电导率σ，降低热导率κ，可以达到提高材料热电性能的目的。与制备氧化物热电陶瓷的传统方法固相反应法相比，放电等离子体烧结（Spark Plasma Sintering，SPS）工艺具有烧结时间短，烧结温度底，而且能有效控制晶粒的生长速度及压力烧结等优点，因此SPS 被认为是制备热电陶瓷材料的有利工艺之一。

目前氧化物热电材料的研究中存在的主要问题仍是热电性能相对来说比较低，即热电转换效率相对合金体系还有一定差距。提高氧化物热电性能的途径具有一定的局限性，电学传输性能提高的同时很难改善热传输性能，二者始终矛盾，传统途径在优化二者性能方面始终很难兼顾。总的来说，不管从制备工艺还是研究体系来说，探索新的制备方法，寻找新的氧化物热电体系及设计合理的热电氧化物晶体结构，是未来提高氧化物热电材料性能的主要途径。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种超晶格结构热功能陶瓷材料；第二目的在于提供所述的超晶格结构热功能陶瓷材料的制备方法；第三目的在于提供所述的超晶格结构热功能陶瓷材料的应用。

本发明的第一目的是这样实现的，所述的超晶格结构热功能陶瓷材料是以氧化铟、氧化镓和氧化锌作为前驱粉体，采用固相合成法制备得到粉体InGaZn_kO_k+3，然后经压片、保温、研磨过筛和烧结制备得到InGaZn_kO_k+3陶瓷块体，即目标物超晶格结构热功能陶瓷材料；所述的超晶格结构热功能陶瓷材料具有层状超晶格结构，具有半导体和绝缘体性质，是由InO^2-层和GaO⁺(ZnO)_k层沿c轴交替堆叠形成超晶格结构的氧化物；所述的超晶格结构热功能陶瓷材料的致密度为78%~84%。