[发明专利]一种纳米复合结构Mg2Si基热电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体热电材料制备技术领域，具体涉及为一种纳米复合结构Mg₂Si基热电材料及其制备方法。

背景技术

热电材料是一种通过固体内部载流子（电子或空穴）的运动实现电能和热能相互转换的一种功能材料。当热电材料两接点处存在温差时，热电材料能将电能转化为热能；或反之在热电材料中通一电流时，热电材料能将电能转化为热能，一端放热，一端吸热。热电材料在制冷或发热方面有广泛的应用前景。用热电材料制造的发电装置、制冷装置或在工业余热、废热发电领域，半导体制冷领域得到广泛的应用。用热电材料制造的装置具有无机械运动部件、无噪声、免维护等突出优点，具有很好的环保性。

热电材料性能用“热电优值”ZT表示：ZT=（α²σ/κ）×T。这里α是材料的塞贝克系数，σ是电导率，κ是热导率。ZT越高，材料的热电转换效率越高。Mg₂Si基热电材料原料资源丰富、地层蕴藏量大、价格低廉，无毒无污染，被认为是环境友好型绿色能源材料，并有可能成为大规模应用的最佳候选者，因此如何制备出高性能的Mg₂Si基热电材料成为国内外研究的热点。

Mg₂Si体系热电材料的制备主要有固相反应、熔炼结合热压烧结或放电等离子烧结等方法，由于Mg元素极易挥发和氧化，导致高性能Mg₂Si基热电材料的制备非常困难，从而也限制了其大规模应用。近年来，在元素掺杂改善材料热电性能的基础上，通过材料微观结构的纳米复合化实现电、热输运的协同调控，从而优化热电性能成为当前提高材料热电优值ZT（ZT=α²σ/κT, α-塞贝克系数, σ-电导率, κ-热导率）的有效手段。例如专利Bi₂Te₃基纳米复合热电材料（公开号CN 1546369A）公开了利用区熔定向法、溶剂热法结合热压法制备高性能Bi₂Te₃基纳米复合热电材料的发明，将Bi₂Te₃基纳米结构粉末添加到Bi₂Te₃基热电材料中，有效提高了材料的热电功率因子。但该方法很难控制纳米相的分布情况，难以避免引入界面污染，无法实现微结构的可调控性，使材料的热电性能改善有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种工艺流程简单、成本低、热电性能优异的纳米复合结构Mg₂Si基热电材料的制备方法。

本发明快淬结合放电等离子烧结（SPS）法制备纳米复合Mg₂Si基热电材料的方法，是在表达式为Mg₂Si_1-xSn_x（0≤x≤0.6）的固溶体基体中存在非晶/纳米晶的纳米复合结构，晶粒得到显著细化达到纳米级别（10nm~200nm）。

本发明采用快淬结合放电等离子烧结（SPS）结合的方法制备纳米复合结构Mg₂Si基热电材料，具体步骤如下：

1）采用高频感应悬浮熔炼设备，以Mg块（纯度99.9%）、Si块（纯度99.999%）、Sn块（纯度99.9%）为原料，按照化学式Mg₂Si_1-xSn_x（0≤x≤0.6）在Ar气氛中配比称重，将配制好的原料放入紫铜坩埚中进行熔炼，采用经脱氧后氩气作为熔炼过程的保护气氛，熔炼时间为80~120s，电炉功率控制在14~20kw范围内。

2）采用感应熔炼快淬炉设备，将熔炼好的成分为Mg₂Si_1-xSn_x（0≤x≤0.6）的铸锭装入下端开口的石英管内，然后竖直置于快淬设备腔体的感应熔炼线圈中，腔体抽真空，通过快淬设备向腔体充入保护氩气，调节喷注压力大于腔体气压，使感应熔炼块体达到熔融态在喷注压力下将熔体喷到快速旋转的铜辊上甩出，成带材，收集带材。