[发明专利]热电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于材料科学领域，涉及一种热电材料及其制备方法，更具体地说，是涉及一种Bi掺杂Ca₂Co₂O₅基热电材料及其制备方法。

背景技术

热电材料是一种可以在固体状态下，几乎不需要活动部件就可将热能与电能相互转换的材料。近年来出于环境保护的需要，新型热电材料的研究受到人们越来越多的关注。热电材料可作为热能和电能相互可逆转换的载体，以热电材料为核心模块的热电装置，具有结构轻便、体积小、使用寿命长、不污染环境、可以在环境条件非常恶劣的条件下使用等优点，而且热电效应的可逆性还决定了热电装置具有双向性，即可作制冷器也可做发热源。目前，在与常规的制冷方式和传统电源的竞争中，关键是要提高热电致冷器或发电器的工作效率，而主要途径是如何提高热电材料的性能。

与常用的合金热电材料相比，氧化物热电材料具有耐氧化、耐高温、不含有毒易挥发元素的优点，适用于工业废热发电、汽车废气发电等方面。目前氧化物热电材料的主要劣势在于热电性能不佳，工作效率比较低。Ca₂Co₂O₅基热电材料作为一种重要的氧化物热电材料，通过掺杂改性和织构化能够获得较高的高温热电性能。

另外，Ca₂Co₂O₅基热电材料的制备传统上主要是采用固相反应法，该方法首先将原料按化学计量比混合，煅烧后研磨，然后在900-1000℃高温氧气氛中烧结10-15小时即可。固相反应法的缺点在于反应温度高，反应时间长，能耗大，而且高温下Ca₂Co₂O₅材料容易分解，造成化合物的成分偏离化学计量比。

发明内容

为解决上述至少一个技术问题，本发明的一个目的是提供一种具有较高高温热电性能的热电材料。

本发明的另一目的是提供一种上述热电材料的制备方法。该制备方法采用的是液相共沉淀法，反应温度低，反应时间短，能耗小。

根据本发明的一方面，提供了一种热电材料，所述热电材料由长度为2-5微米、厚度为100-400纳米的片状晶粒组成，所述热电材料的化学组成为Ca_2-xBi_xCo₂O₅，其中：0＜x≤0.20。

根据本发明的一个实施方式，所述热电材料在700℃的功率因子为4.0-6.0×10^-4Wm^-1K^-2。

根据本发明的另一方面，还提供了一种热电材料的制备方法，包括如下步骤：(a)按照通式Ca_2-xBi_xCo₂O₅的化学计量比，其中0＜x≤0.20，配制含有Ca²⁺、Bi⁺³和Co⁺³的溶液；(b)将所述溶液中的Ca²⁺、Bi⁺³和Co⁺³沉淀并过滤，得到沉淀物；(c)将所述沉淀物在700-850℃进行煅烧，得到煅烧物；和(d)将所述煅烧物用放电等离子体烧结法在700-850℃进行烧结，得到所述热电材料。

根据本发明的实施方式之一，步骤b中所述沉淀物是通过向溶液中加入可溶性强碱直至溶液的pH达到12.8-13.6而得到的。所述可溶性强碱为氢氧化钠或氢氧化钾。在该pH范围内，可以确保Ca²⁺、Bi⁺³和Co⁺³得到充分沉淀，获得的材料化学计量比准确。

根据本发明的实施方式之一，步骤b中所述沉淀物是通过向溶液中加入可溶性碳酸盐而得到的。

根据本发明的实施方式之一，步骤c中所述煅烧的时间为1-6小时。在该煅烧时间内，材料物相的成相过程完成充分，煅烧效率高，能耗低。

根据本发明的实施方式之一，步骤c进一步包括将煅烧物进行压实的步骤。步骤d中烧结是在30-50MPa的压力下进行的。由此获得具有良好机械性能的块体材料。

根据本发明的实施方式之一，步骤b进一步包括将沉淀物进行洗涤、干燥的步骤。这样可以除去沉淀物上残留的杂质，消除杂质对后续过程的影响，以确保制备出高纯度且化学计量比准确的材料。