[发明专利]一种p型铕镉锑基热电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种p型铕镉锑基热电材料及其制备方法，属于热电材料的技 术领域。

背景技术

热电材料是一种将热能和电能直接转换的功能材料，其原理是基于塞贝克 效应和佩尔帝效应，是高技术新能源领域的关键基础性材料。由其制成的热电 转换器件(如电冰箱、空调、军用发电机、发电站等)没有机械传动部分，其 结构简单，重量轻，也不需要氟里昂等有害物质，具有清洁、高效、无污染、 没有噪音以及寿命长、坚固、可靠性高等一系列优点，可广泛应用于国防、航 天、汽车、微电子、高新技术领域以及汽车尾气、工业废(气)热的利用。

热电发电系统的关键是热电材料，其性能通常用无量纲性能指数ZT (ZT＝S²σT/κ，其中S为seebeck系数；σ为电导率；κ为热导率，T为绝对温度) 表示。ZT值越高，表示材料性能越好，热电发电效率也就越高。目前，实用块 体热电材料的ZT值一般在1.0附近。目前有应用价值和应用前景的热电材料主 要有(Bi，Sb)₂(Te，Se)₃、β-Zn₄Sb₃、Yb₁₄MnSb₁₁、填充方钻矿、 (PbTe)_0.85(AgSbTe)_0.15(TAGS)、Pb₁₈AgSbTe₂₀、笼状物及SiGe等。

由于不同体系的热电材料应用的温度范围不同，另外现有热电材料的制备 工艺多采用真空熔炼—退火—破碎—热压烧结或长时间固相反应—热压烧结等 方法。这些方法的缺点是，固相反应和热压烧结时间长，极易造成组分偏差， 所制备材料的杂相含量高，导致热电性能降低。本发明提供的p型铕镉锑基热 电材料的制备方法，是采用高纯单质原料在手套箱中配料，保证原料不被氧化， 采用涂碳石英管作为反应容器，为保证反应均匀，采用缓慢生温，长时间熔融， 缓慢降温反应的温度制度，采用放电等离子烧结(Spark Plasma sintering，简称 SPS)技术烧结块体材料。SPS是新型特殊的加压快速烧结技术，有的文献上也 称SPS为等离子活化烧结。SPS的工艺优势是：升温速度快，加热均匀，烧结 温度低，保温时间短，生产效率高，产品组织细小均匀。

文献报道的类似组成的热电材料如Mg₃Sb₂、CaZn₂Sb₂、Ca_xYb_1-Zn₂Sb₂和 BaZn₂Sb₂的ZT值在0.21～0.52之间，仅有一个专利《一种镉锑基p型热电材料 及其制备方法》所得样品YbCd₂Sb₂在430℃时ZT值达到0.8。目前只有关于铕 镉锑合成、晶体结构和低温磁性等数据的文献报道，没有热电性能方面的研究。 本发明涉及的p型铕镉锑基热电材料具高的热电转换效率，如377℃时，铕镉 锑的优值系数达0.66。

发明内容

本发明的目的是提供一种p型铕镉锑基热电材料及其制备方法。

本发明涉及的p型铕镉锑基高效热电转换材料，其特征在于组成式为A_xB_yC_z(x＝0.9-1.1，y＝1.8-2.2，z＝1.8-2.2)：A为Eu或Eu与Mg、Ca、Sr、Yb的组合；B 为Cd或Cd与Mg、Mn、Zn的组合；C为Sb或Sb与P、As、Bi的组合。

本发明的制备方法，包括配料、合成和烧结三步：

(1)用高纯金属单质为原料，按照A_xB_yC_z(x＝0.9-1.1，y＝1.8-2.2，z＝1.8-2.2)： A为Eu或Eu与Mg、Ca、Sr、Yb的组合；B为Cd或Cd与Mg、Mn、Zn的 组合；C为Sb或Sb与P、As、Bi的组合。

(2)将步骤(1)配制的混合料封入涂碳的石英管中，气氛为真空或充入 少量惰性气体。将石英管缓慢加热至700～900℃保温7～14天，使金属原料 进行充分化学反应，缓慢冷却至室温，充分研磨，即得p型铕镉锑基热电材料 的粉末。