[发明专利]一种共掺杂Cu和Bi提高n型PbTe基热电材料性能的方法

说明书

本发明公开了一种共掺杂Cu和Bi提高n型PbTe基热电材料性能的方法，是按照Pb_0.999Bi_0.001Te‑xat％Cu₂Te的化学计量比，在n型PbTe基热电材料中掺杂Cu和Bi，从而提高其性能，其中x的范围在1.0‑5.0。本发明具有工艺简单、设备成本低、经济性高、可重复性高等优点，所制备的PbTe基热电材料具有高的功率因子的同时具有较低的热导率，其ZT值在n型PbTe基材料中处于较高水平，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及热电材料领域，具体涉及一种共掺杂Cu和Bi提高n型PbTe基热电材料性能的方法。

背景技术

随着世界文明的发展，煤、石油、天然气等非再生能源紧缺的问题日趋严重，且使用这些能源材料的过程中所伴随产生的大量热几乎都排入大气中，造成能源的浪费。热电材料是一种可将热能与电能直接相互转换的功能材料，而PbTe基热电材料属于性能较高的中温材料，可应用于发电设备，具有良好的应用前景。若能将n型PbTe材料的ZT值提高至与p型材料相匹配，则能促进热电材料真正实现商业化，从而大大缓解能源紧张的现状。

热电材料的性能主要由无量纲值(ZT)来衡量，表达式为：ZT＝S²σT/κ，其中S为塞贝克系数，σ为电导率，T为绝对温度，κ为热导率(包括电子热导率κ_e和晶格热导率κ_l)。从表达式可以看出，高性能的热电材料应该具有高的功率因子(S和σ)和低的热导率κ，然而S、σ和κ_e三者相互耦合，这大大增加了性能优化的难度。

热电材料的理想载流子浓度是随温度发生变化的，而动态掺杂则可以利用溶解度随温度变化的特点来实现载流子浓度随温度变化，这一方法可以实现全温区范围的性能优化，从而提高材料的平均ZT值和转换效率，并扩宽材料的使用温度范围。

发明内容

本发明旨在提供一种工艺简单、经济性高、适合大规模生产的共掺杂Cu和Bi提高n型PbTe基热电材料性能的方法，以期获得热电性能高的n型PbTe基热电材料。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种共掺杂Cu和Bi提高n型PbTe基热电材料性能的方法，其特点在于：按照Pb_0.999Bi_0.001Te-xat％Cu₂Te的化学计量比，在n型PbTe基热电材料中掺杂Cu和Bi，从而提高其性能，其中x的范围在1.0-5.0。具体包括如下步骤：

步骤1、按照化学计量比称量Pb颗粒、Bi颗粒、Te颗粒以及Cu片原料，将原料置于石英管中，对石英管抽真空，然后用高温火焰实现真空封管；

步骤2、将石英管置于箱式炉中进行熔炼，随后置于冷水中淬火，初步得到铸锭；

步骤3、将淬火后的石英管置于管式炉中进行退火处理；

步骤4、将石英管中的铸锭取出，研磨成粉末；

步骤5、将步骤4所得粉末装入石墨模具中，利用放电等离子烧结法烧结成型。

进一步地，步骤1中，各原料的纯度不低于99.99％。

进一步地，步骤2中，所述熔炼的工艺为：经650～720min从室温升至1050～1100℃并保温1h，再经60～70min降温至1000℃并保温6h～12h。

进一步地，步骤3中，所述退火的工艺为：经350～400min升温至700℃并保温2800min～3000min，然后随炉冷却至室温。

进一步地，步骤5中，所述放电等离子烧结的工艺为：在50～60Mpa的压力下以60～80℃/min的升温速度升至550℃，保温5min，随炉冷却至80℃取出。