[发明专利]一种BiTe基热电材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种电力大功率器件用热电制冷用的BiTe基热电材料，所述BiTe基热电材料包括；(Bi+Sb)：Te＝2：3，Mn占全部初始原料总量的摩尔百分比数1％；本发明提供的电力大功率器件用热电制冷用的BiTe基热电材料的制备方法包括球磨、烘干、烧结和退火。本发明提供的技术方案通过调节所述BiTe基热电材料的配比以及赛贝克系数、电阻率和热导率间的匹配，获得了相对密度为98.1％～99.3％、在室温～500K范围内的最高热电优值系数ZT为1.41～1.50的BiTe基热电材料。

技术领域

本发明涉及一种热电制冷材料，具体讲涉及一种新型BiTe基热电材料及其制备方法。

背景技术

热电材料具有赛贝克效应及其逆效应帕尔贴效应，热电制冷通常是利用半导体材料的帕尔贴效应来实现制冷，也称作半导体制冷或帕尔贴制冷，因此热电材料可以实现电能与热能相互转化，可用于微型电源或者局部高效制冷。热电制冷因其独特的制冷方式，近年来得到了快速的发展，是一种具有广泛应用前景的制冷方式。热电制冷器主动、高效吸收大功率器件产生的废热，来解决大功率器件的散热难题。在电网领域，随着近年来我国特高压交直流先进输电技术建设步伐的加快，现代电力系统向高电压、大容量、大机组方向发展，对输变电设备运行安全可靠性的要求越来越高，现有的制冷器件性能已越来越无法满足电网的快速散热、需要主动制冷的晶体管、晶闸管、电力电子变压器、IGBT功率器件等大功率制冷功率密度的要求，因此需要提供高制冷功率密度的新型热电材料及其制冷器件，以满足电气设备大电流易过热部位温度的主动控制。

在热电材料的选择应用上，一般根据热电器件的具体服役工作温度来决定，按热电器件工作温度范围可分为以下3大类：①工作温度为≤500K的低温材料，主要是以Bi₂Te₃及Bi₂Te₃为基材的固溶体合金材料；②工作温度为500～900K的中温材料，主要是PbTe、GeTe、AgSbTe₂或其合金材料；③工作温度为≥900K高温材料，主要有SiGe、 MnSi₂、CeS等。鉴于电网中电气设备服役运行时的工作温度一般都低于500K，因此一般选择低温区的Bi₂Te₃基热电材料。

本发明人经长期研究发现，现有的热电材料普遍存在转化效率不高、原料昂贵的不足。欲获得具有优异ZT值的Bi₂Te₃热电材料的关键在于电导率、塞贝克系数和热导率之间的匹配，单独调控其中某一参数难于将ZT值大幅提升，因此需要提供一种兼顾各个参数的低温区的热电材料。

发明内容

本发明目的在于提供一种电导率、塞贝克系数和热导率三者优异匹配的ZT值高的电力行业大功率器件快速制冷用的热电材料及其制备方法，以改进BiTe基热电材料低温区的热电性能。

该BiTe基热电化合物块体材料制备方法工艺操作简便，耗时少，且得到的块体材料结晶性好、成分均匀、可重复性高，在低温区具有优良的热电性能。

为实施上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种BiTe基热电材料,其改进之处，按摩尔计，所述BiTe基热电材料包括：(Bi+Sb)：Te＝2：3，Mn占全部初始原料总量的摩尔百分比数＜1％。

其中，所述方法包括：

步骤1球磨：

步骤1-1，按球料质量比为10：1～50：1的比例，在氩气保护气氛手套箱中将所述初始原料装入球磨罐并密封；

步骤1-2，将密封后的球磨罐放入行星球磨机进行球磨合金化，获得合金化物料；

步骤2烧结：将步骤1所述合金化物料经石墨模具压制成形后放入放电等离子烧结炉中烧结成型BiTe基热电化合物块体；