[发明专利]一种化学机械粉体材料合成系统

说明书

技术领域

本发明属于材料化学合成领域。所涉及的材料包括合金与化合物、陶瓷、高分子等所有无机及有机类材料。

背景技术

材料科学是当今科学发展的重要支柱之一，而材料的合成与制备技术是材料科学发展的基础。针对不同类型的材料，例如金属合金，各种陶瓷，高分子聚合物等，材料合成的手段也多种多样。从化学溶液法，高温熔炼法，气相合成法，到传统固相合成法等等，各种新颖方法不断出现。总的来讲，针对不同的材料需求，合成方法也各有优势。

新世纪以来，航空航天、信息技术以及新能源等领域都对先进材料的性能提高提出了新要求，而材料合成方法的创新也因此更为迫切。热电材料就是一个突出的领域，热电是将热能转换为电能或者相反机制的技术，它是基于材料的Seebeck效应或者Peltier效应，实现发电或者制冷。衡量材料热电效率的是其热电无量纲因子ZT，ZT＝(s²σ/κ)T，其中s是材料的Seebeck值，σ是材料电导率，而κ是材料的热导，T是绝对温度。高ZT值(≥1)是提高热电转换效率的核心要求。迄今为止，人们研究发现，材料结构纳米化是提高热电性能的有效途径，而优异的热电材料大部分都是纳米复合材料。例如室温热电材料Bi₂Te₃-Sb₂Te₃，中温热电材料PbTe，高温热电材料si-Ge合金等。针对大多数热电材料，所用的合成方法有高温熔融法，固相合成包括高能球磨法，以及化学合成法。这几种方法得到的材料形态有块体和粉末两种，而最终的热电材料需要将块体粉碎后热压成型。粉末材料的组成、结构和形貌以及热压成型材料的组成、结构和形貌决定了材料的热电性能，粉末材料对最终性能有直接影响。所以，合成粉体热电材料的方法至关重要。

现有的制备纳米热电材料的方法主要是高能球磨法和化学溶液法。前者的优势是能得到组成和尺寸均匀的超细粉体，缺点是有时不能合成需要的物相，需要结合高温合成手段，而且所获纳米粉体常有团聚现象，部分材料不能被磨到纳米尺寸。化学溶液法的缺点则是容易在材料中引入杂质，影响材料物理性能，而且合成过程相对复杂。结合以上合成方法的优势，依据固体材料中的扩散机制和相图原理，发明人提出“化学机械粉体材料合成系统”的概念和模型。具体内容如下文所述。

发明内容

本发明涉及一种机械装置，如附图所示。图示为装置的纵向切面图。装置的工作原理是：靶材材料A和靶材材料B在推进装置的驱动下，相互间以一定压力高速转动。转动过程中，靶材B可被加热并保持温度，靶材A的温度低于B的温度，可以通过散热装置实现A的温度控制。在AB靶材的界面上，由于固相扩散导致化学反应，生成新的化合物物相。需要说明的是，这套装置不仅可以用来合成纳米热电材料，也可以用来制备各种复合材料。一些常规条件下难以合成的热力学亚稳相也有望得到。

附图说明

附图中：1-电动驱动装置，2-真空腔体，3-真空腔体盖，4-靶材加热装置，5-控温热电偶，

      6-样品接受槽，7-真空泵，8-气压表，9-气体入口，10-气体出口，11-产物粉末导出出口，12-视窗窗口，13-视窗挡板；14-靶材B固定基座。

具体实施方式

1.该装置主要有以下部分组成：

(1)核心部分是两个相互接触的材料靶材A和B，如装置图所示。靶材A与电动驱动装置1连接，可以高速转动，同时可以以一定速度向靶材B移动。靶材B被固定在基座14上，B的下方有加热装置4，用来控制B的温度。与B连接有热电偶控温装置5。

(2)在靶材B的下方周围，有样品接受槽6，AB靶材摩擦反应的生成物会落入接受槽，随后被收集。

(3)以上装置被固定于一个真空腔体2中，腔体有盖3可以打开。电动驱动装置1与盖3连接在一起，1可以全部也可以部分位于真空腔体。真空腔体2可以是不锈钢，铝合金，或者其它有一定机械强度的材料。

(4)有真空泵7和气压表8与腔体连接，用以控制腔体内真空度和气压。

(5)腔体壁上有两个气流口，分别是气体入口9和出口10，可以控制腔体内部气体气氛。

(6)腔体侧面有合成产物粉末导出出口11。

(7)腔体侧面有视窗窗口12和视窗挡板13，用来观测核心部件运行状况。

2.在合成过程中，AB两个相互接触的靶材材料可以为金属、陶瓷、其它无机化合物和高分子材料。