[发明专利]一种碲化铋基热电材料的3D打印件的前驱体粉末及其制备方法

说明书

本申请公开了一种碲化铋基热电材料的3D打印件的前驱体粉末及其制备方法，所述碲化铋基热电材料的3D打印件的前驱体粉末为p型或n型碲化铋基热电材料等轴粉体经气雾化制粉后的粉体。本申请碲化铋基球形粉末合金化程度高、球形度好、粒径范围合适(10‑53μm)、化学性质稳定，粉末整体流动性佳，可直接作为SLM打印工艺的前驱体粉末进行3D打印。

技术领域

本申请涉及一种碲化铋基热电材料的3D打印件的前驱体粉末及其制备方法。

背景技术

随着全球工业化进程的迅猛发展，人们通过燃烧化石燃料获取电能的需求也在显著增加。然而，在化石燃料燃烧过程会产生多余的废热，同时排放的废气会导致全球变暖和气候变化等环境问题。热电材料可以直接实现热能和电能的直接转换，转换过程没有多余的污染产生，利用热电材料制备的器件具有质量轻、无噪声、无转动部件、无振动并且其性能稳定、服役周期长等优点。热电材料体系繁多，不同体系材料的服役温区也不尽相同。其中，碲化铋基热电材料作为室温/近室温热电材料是目前唯一实现商业化大面积应用的热电材料，目前相关研究正受到国内外科学家的极大关注。

近些年来热电研究工作者对碲化铋基热电材料研究不断深使得其热电性能不断提升，但与其对应的热电器件与装置的发展却停滞不前，主要原因是决定热电器件规模化应用的关键不仅包括热电材料性能提升，更涉及热电器件制造关键核心技术。传统的热电器件制备方式是通过减材制造的手段，通过对热电材料进行切割、焊接和组装等相应步骤，同时成型件的几何形状也受限于规则平面形状，难以实现具有曲面、中空等相关复杂结构，也不适合用于制备微小型器件。传统热电器件加工技术开发链长、工艺复杂、可靠性低、材料类利用率低；且在现实服役环境中，大多数热源的形貌并不是呈现出规则平面，而是表现出一定曲度甚至不规则的表面形貌(如工业生产用圆形排气管、火力发电厂锅炉粗糙表面等)，得到的平面状热电材料制备的热电器件无法与具有一定弧度的热源端最大限度的实现热接触，从而导致部分热量的缺失，导致其热电能量转换效率低下。复杂的制备工艺、较高的财力投入、较低的材料利用率、较低的产品性能稳定性以及较低的能量转换效率，极大限度的限制了热电材料从材料端到器件端的应用。因此，为了优化热电器件工艺路线、提高材料利用率及热电器件在使用环境下的热电能量转换效率，需要结合热电转换器件功率低、体积小、温区宽的相关特点，设计满足热源的形状，发展易于实现弹性设计、批量生产和高效运行的先进器件制造手段。基于数字模型设计和“离散/堆积”原理的快速成型技术即增材制造(3D打印)技术，与传统的减材制造技术相比，采用逐层堆叠的方式对原材料的设计结构进行精确构建，该技术不但不受材料种类、零件形状的限制，而且最大程度减少了原料损耗，可以快速实现金属材料的一体成型。选区激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)技术作为3D打印方式中最为成熟的技术之一，使用设定能量密度的激光束对特定区域的热电材料金属粉末进行选择性的逐行、逐层熔化，从而实现所需要的热电材料形状和尺寸的成形制造。由于整个打印制造过程几乎不存在原材料的浪费，因此可以对热电材料形状的定制从而实现热电器件能量转换效率的最大化。