[发明专利]一种复合CoSb3方钴矿基热电材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种复合CoSb₃方钴矿基热电材料及其制备方法，包括：制备纳米空心金属球；制备M_xCoSb₃固态材料；将一定质量分数的纳米空心金属球与M_xCoSb₃固态材料混合后，在真空环境下烧结，制得纳米空心金属球分布于CoSb₃基热电材料基体内的复合CoSb₃方钴矿基热电材料。本发明通过采用微纳米空心金属球与钴锑基合金复合，一方面通过引入微纳多孔结构，增强声子的散射作用，从而有效降低方钴矿基热电材料的晶格热导率，另一方面能够保证材料的电导率不发生明显的变化，因此，使得方钴矿基热电材料的热电优值ZT得到了提高，从而优化了方钴矿基热电材料的热电性能。

技术领域

本发明涉及热电材料技术领域，具体而言，涉及一种复合CoSb₃方钴矿基热电材料及其制备方法。

背景技术

热电转换技术是利用半导体材料的塞贝克效应和帕尔帖效应进行能量直接相互转换的技术，热能和电能二种能量的转换效率主要取决于热电材料的无量纲性能指数ZT值（ZT=S²σT/k，其中S为塞贝克系数，σ为电导率，k为热导率，T为绝对温度）。材料的ZT值越高，热电转换效率越高。采用ZT值高的热电材料制得的原器件具有体积更小、可靠性更高、寿命更长、制造工艺简单，环境友好等特点，因而有望广泛应用于废热发电、航空航天电源、医疗卫生制冷等领域。

方钴矿基热电材料目前被认为是应用于中高温区最理想的热电材料。方钴矿属于体心立方结构，其晶体结构的最大特点是体心位置存在一个体积很大的空心笼子，其他金属原子（如稀土或碱土金属）可以以弱结合的方式填充于该笼子中形成方钴矿化合物，填充后的金属原子在笼子中能够产生扰动作用而极大地散射声子、大幅度降低材料的热导率，因而方钴矿基热电材料的化合物具有较好的综合热电性能。此外，在填充其他金属原子基础上，实芯微纳尺度的金属粒作为填充第二项能够增加其声子散射来进一步降低热导率，但是随之而来也会降低载流子在热电材料内部的迁移速度，从而降低材料的电导率，抑制材料热电性能提升。

发明内容

鉴于此，本发明提出了一种复合CoSb₃方钴矿基热电材料及其制备方法，旨在解决现有热电材料的热电性能难以得到综合提升的问题。

本发明第一方面提出了一种复合CoSb3方钴矿基热电材料，所述热电材料的化学式如下：M_xCoSb₃+yA，其中：A为纳米空心金属球，x的取值范围为0＜x≤0.4，0＜y≤3%， y为纳米空心金属球占M_xCoSb₃基体的质量百分数；M为掺杂的碱金属、碱土金属、稀土元素、铝元素和铁元素中的一种或多种。

进一步地，上述复合CoSb₃方钴矿基热电材料中，所述热电材料的化学式中：x=0.2，y=2.3%。

进一步地，上述复合CoSb₃方钴矿基热电材料中，所述纳米空心金属球的电导率大于等于5×10⁵S/m。

进一步地，上述复合CoSb₃方钴矿基热电材料中，所述纳米空心金属球为纳米空心Ag球、纳米空心Au球或纳米空心Cu球。

本发明第一方面提供的复合CoSb3方钴矿基热电材料，通过引入微纳米多孔结构的纳米空心金属球，增强声子的散射作用，从而有效降低方钴矿基热电材料的晶格热导率；另一方面，由于纳米空心金属球具有较高的载流子迁移率，能保证热电材料在热导率降低的同时，其电导率保持不变或略有提升，从而使方钴矿基热电材料的热电优值ZT得到了提高，从而优化了方钴矿基热电材料的热电性能。