[发明专利]一种细晶择优取向Bi2Te3热电材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于能源材料技术领域，特别是提供了一种细晶择优取向Bi₂Te₃热电材料的制备方法，涉及到机械合金化(Mechanical Alloying，MA)和放电等离子烧结(Sparkplasma sintering，SPS)制备工艺。

背景技术

1823年，德国物理学家Seebeck首次发现热电效应，从而开始了人类对热电材料的研究。Bi₂Te₃基合金是目前室温下性能最好的热电材料，也是研究最早最成熟的热电材料之一，具有较大的赛贝克系数和较低的热导率，室温下无量纲热电优值ZT在1左右，目前大多数制冷和低温温差转换电能元件都是采用这类材料。Bi₂Te₃晶体具有菱形六方的层片形结构，每一个晶胞由三部分组成，每一部分沿c轴方向的原子排列为-Te(1)-Bi-Te(2)-Bi-Te(1)-，-Te(1)-Bi-间为共价键和离子键结合，-Te(2)-Bi-间为共价键结合，每一部分之间的-Te(1)-Te(1)-为范德华力结合，此种特殊的晶体结构使得材料在宏观性能上表现为各向异性。通常采用区域熔炼[D.-B.Hyun，T.S.Oh，J.S.Hwang，et al，Scripta Mater.40(1998)49.]、Bridgman[O.Yamashita，S.Tomiyoshi，K.Makita，J.Appl.Phys.93(2003)368.]和Czochralsky方法[O.B.Sokolov，S.Y，Skipidarov，N.I.Duvankov，J.Cryst.Growth 236(2002)181.]制备的定向生长或单晶材料具有很高的热电性能，但由于粗大的晶粒和-Te(1)-Te(1)-间的范德华力使得单晶材料的力学性能很差。为了提高材料的力学性能，一般采用粉末冶金和烧结的方法制备多晶材料[T.S.Oh，D.-B Hyum，N.V.Kolomoets，Scripta Mater.42(2000)849；J.Seo，K.Park，D.Lee，C.Lee，Scripta Mater.38(1998)477.]。但是多晶材料的热电性能却远低于定向生长或单晶材料。如何制备高热电性能的多晶材料，其中一种有效的手段就是制备具有定向晶粒排布的多晶材料，在获得较高的热电性能的同时，提高材料的力学性能。如采用热压[S.Yamanaka，A.Kosuga，K.Kurosak，J.Alloys Compd.352(2003)275；S.J.Hong，Y.S.Lee，J.W.Byeon，B.S.Chun，J.Alloys Compd.414(2006)146.]、粉末热挤压[J.Seo，K.Park，D.Lee，C.Lee，Mater.Sci.Eng.B 49(1997)247；S.Miura，Y.Sato，K.Fukuda，K.Nishimure，K.Ikeda，Mater.Sci.Eng.A 277(2000)244.]、区域熔炼结合SPS的方法[J.Jiang，L.D.Chen，S.Q.Bai，Q.Yao，Q.Wang，Scripta Mater.52(2005)347.]制备了具有晶粒择优取向的多晶材料，以上文献中制备的多晶材料力学性能较单晶材料均有所提高，但由于晶粒粗大导致热导率很高，限制了热电性能的提高。