[发明专利]一种纳米颗粒复合碲化铋基热电材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及热电材料领域，尤其涉及一种纳米颗粒复合碲化铋基热电材料及其制备方法。

背景技术

热电材料是通过半导体材料的赛贝克效应和帕尔贴效应实现热能与电能直接相互耦合、相互转化的一类功能材料。随着能源危机与环境污染的日益严重，热电材料因其自身具有无污染、无噪音、体积小、寿命长、可精确控制等优点引起了人们广泛的关注。

碲化铋基合金是迄今为止室温附近性能最佳的热电材料之一，在热电制冷和温差发电等方面拥有十分广阔的应用前景。目前，制约热电材料，包括碲化铋基热电材料发展和应用的主要瓶颈是其相对较低的热电转换效率。热电转换效率主要取决于无量纲热电优值ZT，ZT＝α²σT/κ，其中α为塞贝克系数、σ为电导率、κ为热导率、T为绝对温度。要获得较高的热电性能，即较大的ZT值，需要材料同时具有较高的电导率和赛贝克系数以及较低的热导率，而这三个参数并不是独立的，它们之间相互关联，都受到载流子浓度等因素的影响。因此，如何实现三个参数的协同调控以获得最佳的ZT值成为研究热电材料的关键。

提高材料热电性能的传统方法是通过掺杂等手段，优化载流子浓度，从而提高材料的热电性能。但是，目前通过该方法很难实现材料热电性能的进一步优化。近年来，纳米颗粒复合热电材料的制备成为一种提高材料热电性能的有效手段。一般，纳米第二相的添加可通过外部机械混合法或原位反应析出法实现。外部机械混合法工艺相对简单，容易控制；原位反应析出法能够使纳米粒子更加均匀地分散在集体材料中。另外，Brochin等人通过电弧放电法将SiO₂纳米颗粒掺入到Bi热电材料中，随着SiO₂纳米颗粒含量的增加，材料的赛贝克系数增大，热导率得到一定程度的降低；Scoville和Slack等人分别将BN和B₄C纳米颗粒掺入SiGe合金热电材料中，使SiGe合金的热导率降低了40％；Mercouri G Kanatzidis利用原位析出法将纳米颗粒引入热电材料中，获得了ZT值高达2.2的AgPb_mSbTe_2+m热电材料。因此，纳米颗粒的调控和复合是改善传统材料热电性能行之有效的手段。

但是已报道的纳米颗粒复合热电材料也存在一定的问题。例如，在纳米颗粒增强声子散射、降低晶格热导率的同时，载流子也会受到一定程度的散射，因此会降低材料的电导率。尤其当复合的第二相为导电性较差的纳米颗粒时，基体的电输运性能通常会受到消极影响；而当导电性相对好的金属纳米相作为第二相时，又可能会由于金属自身热稳定性差而影响基体材料的化学稳定性，这些问题都将限制材料热电性能的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种纳米颗粒复合碲化铋基热电材料及其制备方法。

本发明实现上述目的所采用的技术方案为：一种纳米颗粒复合碲化铋基热电材料，以碲化铋热电材料为基体，在基体中掺杂纳米颗粒，所述的纳米颗粒是导电氧化物纳米颗粒。

其中，导电氧化物优选是锌铝合金氧化物、铟锡合金氧化物和锡锑合金氧化物中的一种或两种以上的组合物；氧化物纳米颗粒占基体总质量的百分数优选为0.1％～20％。

本发明一种纳米颗粒复合碲化铋基热电材料的制备方法包括如下步骤：

步骤1：称取适量碲化铋基热电材料的粉料作为基体原料；

步骤2：称取适量导电氧化物纳米颗粒作为第二相；或者

称取适量组成导电氧化物的非氧元素的粉体，以及适量氧化铋作为前驱体；

步骤3：将步骤1中的基体原料与步骤2中的第二相或者前驱体放入石英玻璃管中，然后将石英玻璃管抽真空密封后置于700℃～900℃的摇摆炉中摇摆加热0.5小时～2小时，之后冷却至室温；

步骤4：将步骤3得到的密封石英玻璃管放入区熔炉中，设定区熔温度为650℃～900℃、升温速度为10℃/分钟～30℃/分钟、熔区宽度为10毫米～40毫米、温度梯度为10℃/厘米～50℃/厘米，区熔生长制备得到纳米颗粒复合碲化铋基热电材料。

为了优化一种纳米颗粒复合碲化铋基热电材料的制备方法，采取的措施还包括：

步骤4中的区熔生长速度为10毫米/小时～30毫米/小时。