[发明专利]一种铁铝硅基热电材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种铁铝硅基热电材料及其制备方法，涉及热电材料技术领域。本发明将Fe、Al和Si单质原料按照化学计量比进行配料，得到混合料；所述化学计量比为化学组成Fesubgt;36.5/subgt;Alsubgt;23.5+x/subgt;Sisubgt;40‑x/subgt;所示计量比，其中x＝1.7～2.1；将所述混合料在保护气氛下进行磁悬浮熔炼，得到铸锭；将所述铸锭进行研磨和筛分，得到粒度为70～80μm的粉末；将所述粉末进行放电等离子烧结，得到所述铁铝硅基热电材料。本发明制备的铁铝硅基热电材料创造了该体系热电材料塞贝克系数的峰值与晶格热导率的最低值，为低热导率、高ZT值的铁铝硅基热电材料。

技术领域

本发明涉及热电材料技术领域，特别涉及一种铁铝硅基热电材料及其制备方法。

背景技术

化石燃料资源有限，难以满足不断增长的能源需求，并且化石燃料燃烧对全球气候变化的影响也越来越严重。要减少能源消耗，实现节能减排，发展清洁能源至关重要。热电(TE)材料具有直接将热量转化为电能的能力，可以将原本会浪费的部分热量转化为有用的能量，这种材料将在能源的可持续利用中发挥重要作用。为了扩大热电材料的作用，使其有更多的实际应用，关键挑战是提高其热电性能，高效地实现热能和电能的相互转换，热电性能通常由无量纲品质因数ZT＝S²σT/κ表示，其中ZT、S、σ、κ分别是热电优值、塞贝克系数、电导率和热导率。

低温余热、废热在生活中比较常见，在低温范围内使用的大多数热电材料是基于Bi和Te的。Bi元素因其稀有的地壳含量较为昂贵，而Te元素因有毒而不环保，这与改善生态环境的观点相悖。对于现代人类社会来说，开发含量丰富、价格低廉、环境友好的室温热电材料，实现低温余热与电能的相互转化无疑是具有巨大潜力的。铁铝硅基热电材料在室温下具有良好的热电性能，并且元素丰富、廉价且无毒，有望作为理想的室温热电材料。但是限制铁铝硅基热电材料投入现实应用的主要因素之一为热导率较高，导致热电优值ZT较低，无法维持较高的转换效率。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种铁铝硅基热电材料及其制备方法。本发明制备的铁铝硅基热电材料具有低热导率的特点，能够有效提高热电优值，热电性能优异。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种铁铝硅基热电材料的制备方法，包括以下步骤：

将Fe、Al和Si单质原料按照化学计量比进行配料，得到混合料；所述化学计量比为化学组成Fe_36.5Al_23.5+xSi_40-x所示计量比，其中x＝1.7～2.1；

将所述混合料在保护气氛下进行磁悬浮熔炼，得到铸锭；

将所述铸锭进行研磨和筛分，得到粒度为70～80μm的粉末；

将所述粉末进行放电等离子烧结，得到所述铁铝硅基热电材料。

优选地，所述磁悬浮熔炼重复进行，所述磁悬浮熔炼的次数为4次。

优选地，每次磁悬浮熔炼的保温时间为40～90s，真空度为-0.02～-0.05MPa。

优选地，所述研磨在加入研磨介质的条件下进行，所述研磨介质为无水乙醇。

优选地，在放电等离子烧结前，还包括将所述粉末进行干燥。

优选地，所述放电等离子烧结的升温程序为：以第一升温速率由室温升温至第一温度，然后以第二升温速率由所述第一温度升温至第二温度，在所述第二温度下进行保温；所述第一升温速率为120～130℃/min，所述第二升温速率为60～70℃/min，所述第一温度为550～650℃，所述第二温度为920～950℃，所述保温的时间为12～15min。