[发明专利]一种碲化锡基热电材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种碲化锡基热电材料及其制备方法，碲化锡基热电材料包括以下组分：碲、锡和铝，碲、锡和铝的摩尔比为1～2:1.9～2.1:0.01～0.06。上述的碲化锡基热电材料的制备方法，包括以下步骤：分别称取碲、锡和铝并混合均匀，得混合原料，然后加入球磨罐中，抽真空后通入混合气体，在400～480rpm转速下球磨15～20h，得混合粉末；将混合粉末等离子体烧结，得碲化锡基热电材料。本发明在碲化锡中掺杂了铝元素，一定程度上克服了材料的空位缺陷，降低了晶格热导率，提高了材料的导电性能，有效解决了导电性能差、存在安全隐患和环境污染等问题，便于碲化锡材料的推广使用。

技术领域

本发明属于热电材料制备技术领域，具体涉及一种碲化锡基热电材料及其制备方法。

背景技术

随着经济的不断发展，能源危机与环境污染不断加剧，对于可再生清洁能源的研究与开发备受瞩目。基于塞贝克效应，热电材料通过材料中的载流子输运实现热能和电能两种形式能源的相互转换。热电能源转换器件具有无噪音、无污染、环境友好等特点，是一类可持续清洁能源。在航天航空供电、工业余热回收、汽车尾气热量利用等方面已经得到了广泛的应用。

碲化铅作为传统热电材料已在航空航天和军事方面得以应用。基于其复杂的能带结构，近十年的研究大幅度提升了该材料的热电性能。但由于其组成元素铅具有毒性，限制了该热电材料的广泛应用。碲化锡材料具有与碲化铅相同的晶体结构和相似的能带结构，是一种具有潜力取代碲化铅的热电材料，且对环境无污染。而由于碲化锡材料的两条价带间的能差较大，因此只有一条价带参与电输运使得电性能较差；同时由于碲化锡材料中含有镁或锶等活泼金属元素，在制备过程中存在一定的隐患；碲化锡制备工艺复杂和成本较高的问题，也限制了碲化锡材料的广泛应用。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种碲化锡基热电材料及其制备方法，在碲化锡中掺杂了铝元素，一定程度上克服了材料的空位缺陷，降低了晶格热导率，提高了材料的导电性能，有效解决了导电性能差、存在安全隐患和环境污染等问题，便于碲化锡材料的推广使用。

为实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种碲化锡基热电材料，包括以下组分：碲、锡和铝，碲、锡和铝的摩尔比为 1～2:1.9～2.1:0.01～0.06。

进一步，碲化锡基热电材料包括以下组分：碲、锡和铝，碲、锡和铝的摩尔比为2:1.98:0.05。

进一步，碲、锡和铝纯度均在99.9％以上。

上述的碲化锡基热电材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)在氩气环境中分别称取碲、锡和铝并混合均匀，得混合原料，然后加入球磨罐中，抽真空后通入混合气体，先在100～150rpm转速下球磨1～2h，再在400～480rpm转速下球磨15～20h，得混合粉末；

(2)将步骤(1)所得混合粉末升温至550～600℃温度下等离子体烧结 2～8min，升温速率为50～100℃/min，得碲化锡基热电材料。

进一步，混合气体为氢气和氩气按体积比5～10:90～95混合而成的气体。

进一步，步骤(1)中球磨时，球磨罐和磨球材质均为不锈钢，磨球直径为 5～20mm。

进一步，磨球与混合原料质量比为1:18～25。

进一步，磨球与混合原料质量比为1:20。

进一步，球磨时，每球磨2h，冷却1～20min。

进一步，步骤(2)中烧结时，轴向压力为40～70MPa，真空度为5～9Pa。

进一步，在行星球磨机中球磨，在放电等离子体烧结炉中进行等离子体烧结。

综上所述，本发明具备以下优点：