[发明专利]一种3D打印成型碲化铋基热电材料的方法

说明书

本发明公开了一种3D打印成型碲化铋基热电材料的方法，包括以下步骤，首先制备碲化铋/环氧树脂3D打印混合粉末，然后进行块体热电材料试样3D打印成型，再将块体热电材料试样热处理。本发明提供的工艺过程简单、成型精度高、材料利用率高的快速制备高热电性能Bi₂Te₃基热电材料的生产方法，利用选择性激光烧结3D打印技术加热速度快，冷却速率高，能细化晶粒组织，与其它制备方法相比，制备时间较短、烧结效率高、烧结过程无污染等优点，采用该技术进行Bi₂Te₃基热电材料粉末成型，克服了传统加工方法的缺点，提高了制件的质量并提高效率，进而推动热电元器件在工业上的应用。

技术领域

本发明属于热电材料成型新工艺领域，尤其涉及一种3D打印成型碲化铋基热电材料的方法。

背景技术

热电材料(Thermoelectric Materials)，也称为能源转换材料或温差电材料，是一种将热能与电能直接相互转换的功能性新材料。它集两种功能于一身，利用它制成的温差发电机可以直接把热能转化为电能，也可制成热电制冷机从而利用电能直接进行制冷。由于其应用不需要使用传动部件，工作时无噪音、无排弃物，材料性能可靠，使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环境友好材料。随着人类活动以及工业化革命的不断进行，传统的一些不可再生能源(如煤、石油、天然气等)开始日益枯竭，能源问题越来越成为世界各国关注的焦点。寻找清洁安全的新能源、提高现有能源使用效率的工作已经迫在眉睫，而新能源的开发利用需要借助能源转换材料来实现。目前，研究较为成熟且应用于热电发电技术的是合金热电材料，主要有Bi₂Te₃，PbTe和SiGe合金等。其中，Bi₂Te₃是目前常温下应用最广泛，性能最优异的一类热电材料，主要用于制冷器。

Bi₂Te₃的晶体结构属三方晶系沿c轴方向可视为六面体的层状结构，每个晶胞由3层Te和2层Bi交叠排布，层与层之间呈-Te⁽¹⁾-Bi-Te⁽²⁾-Bi-Te⁽¹⁾-的原子排布方式。Bi₂Te₃基热电材料在晶体结构上的各向异性，导致了其物理输运性能和热电性能也呈现各向异性。在室温下，对于单晶Bi₂Te₃基热电材料，垂直于c轴方向的热导率是平行于c轴方向的热导率的2倍左右，垂直于c轴方向的电导率是平行于c轴方向的电导率的3～4倍左右，因此垂直于c轴方向的热电性能更好。但是，由于Te⁽¹⁾-Te⁽¹⁾之间以较弱的范德华力结合，从而使其极易沿基面发生解理而恶化材料的可加工性以及元器件的使用可靠性。

目前，Bi₂Te₃系热电材料的制备方法主要有区熔法、热压成型、等离子活化烧结成型、机械合金化法、溶剂热合成法等。然而，用现有的制备方法制备Bi₂Te₃系热电材料都或多或少存在一些问题，因此研究出一种快速制备高热电性能Bi₂Te₃基材料的生产工艺对其应用非常重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种3D打印成型碲化铋基热电材料的方法，周期短，精度高，粉末材料能够得到充分的利用，不会造成材料的浪费，烧结出的试样外形规整，尺寸精确，表面较为光滑。