專利名稱：納米/微米復(fù)合晶粒結(jié)構(gòu)的CoSb的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種納米/微米復(fù)合晶粒結(jié)構(gòu)的CoSb3熱電材料及其制備方法，屬于熱電材料的制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
熱電材料是利用塞貝克(Seebeck)效應(yīng)和佩爾帝(Peltier)效應(yīng)將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的新型功能材料，是高技術(shù)新能源領(lǐng)域的關(guān)鍵材料，在熱電發(fā)電和熱電制冷方面具有廣闊的應(yīng)用前景。熱電材料的性能通常用無(wú)量綱優(yōu)值ZT來(lái)表征ZT＝(α2σ/κ)T，式中，α是Seebeck系數(shù)，σ是電導(dǎo)率，κ是熱導(dǎo)率，T是溫度。良好的熱電材料應(yīng)具有高的ZT值。
在眾多的熱電材料體系中，CoSb3作為一種具有潛在高性能的新型熱電材料，受到國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。但該材料目前存在制備工藝復(fù)雜、熱導(dǎo)率高，從而導(dǎo)致其ZT值較低，不能滿足實(shí)用要求。因此如何降低CoSb3材料的熱導(dǎo)率，提高其熱電性能已成為國(guó)內(nèi)外研究的重點(diǎn)。在已有的技術(shù)中，如日本專利公開(kāi)公報(bào)1996年186492A號(hào)和楊君友公開(kāi)的專利CN14229669A中，CoSb3材料的制備多采用機(jī)械合金化(MA)、固相反應(yīng)法和熔融法，這些方法不僅反應(yīng)周期長(zhǎng)，工序復(fù)雜，而且晶粒大小很難調(diào)控。在我們的前期工作中，已采用SPS技術(shù)成功合成了具有單一微米和納米晶粒結(jié)構(gòu)的CoSb3熱電材料(ZL 02 1 56680.1)，性能測(cè)試表明，微米晶粒的CoSb3材料熱導(dǎo)率高，而納米晶粒的CoSb3材料雖然具有很低的熱導(dǎo)率，但同時(shí)電導(dǎo)率也出現(xiàn)大幅度下降，使其在300-800K溫度范圍內(nèi)的ZT最大值只有0.057。為了提高CoSb3材料的ZT值，必須使其在保證低熱導(dǎo)率的同時(shí)，具有高的Seebeck系數(shù)和電導(dǎo)率，為此本發(fā)明提出了一種納米/微米復(fù)合晶粒結(jié)構(gòu)的CoSb3熱電材料及其制備方法，目前尚未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種制備時(shí)間短、工藝簡(jiǎn)單、成本低的快速制備方法，以獲得具有納米/微米復(fù)合晶粒結(jié)構(gòu)的CoSb3致密塊體熱電材料。
本發(fā)明提供的納米/微米復(fù)合晶粒結(jié)構(gòu)的CoSb3熱電材料制備方法，其特征在于以80-100nm金屬鈷和20-40μm銻單質(zhì)元素粉末為原料，按CoSb3化合物的化學(xué)式稱重配料，在氬氣保護(hù)下，粉末研磨混合，然后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)(SPS)原位反應(yīng)合成，壓力30-50MPa，升溫速率120-150℃/min，溫度450-550℃，保溫時(shí)間3-5min，氣氛為真空。
所制備的熱電材料具有納米/微米復(fù)合晶粒結(jié)構(gòu)，其中納米晶粒尺度約為100nm，微米晶粒尺度為1-3μm，材料的相對(duì)致密度大于93.0％。該材料在700K取得最大ZT值0.34。


圖1CoSb3熱電材料的TEM照片；圖2CoSb3熱電材料的熱導(dǎo)率κ與晶粒尺寸及溫度T的關(guān)系；圖3CoSb3熱電材料的電導(dǎo)率σ與晶粒尺寸及溫度T的關(guān)系；圖4CoSb3熱電材料的Seebeck系數(shù)α與晶粒尺寸及溫度T的關(guān)系；圖5CoSb3熱電材料的ZT值與晶粒尺寸及溫度T的關(guān)系具體實(shí)施方式
例1以金屬鈷(80nm)和銻(20μm)單質(zhì)元素粉末為原料，按CoSb3化合物的化學(xué)式稱重配料，在氬氣保護(hù)下，粉末研磨混合后裝入石墨模具中進(jìn)行SPS原位反應(yīng)合成。燒結(jié)條件為壓力30MPa，升溫速率120℃/min，溫度450℃，保溫時(shí)間3min。獲得具有納米/微米復(fù)合晶粒結(jié)構(gòu)的CoSb3致密塊體材料，其組織結(jié)構(gòu)如圖1所示，相對(duì)致密度為93.0％。該材料在700K取得最大ZT值0.34。
例2以金屬鈷(100nm)和銻(40μm)單質(zhì)元素粉末為原料，按CoSb3化合物的化學(xué)式稱重配料，在氬氣保護(hù)下，粉末研磨混合后裝入石墨模具中進(jìn)行SPS原位反應(yīng)合成。燒結(jié)條件為壓力40MPa，升溫速率130℃/min，溫度500℃，保溫時(shí)間4min。獲得具有納米/微米復(fù)合晶粒結(jié)構(gòu)的CoSb3致密塊體材料，相對(duì)致密度為95.3％。該材料在700K取得最大ZT值0.34。
例3以金屬鈷(90nm)和銻(30μm)單質(zhì)元素粉末為原料，按CoSb3化合物的化學(xué)式稱重配料，在氬氣保護(hù)下，粉末研磨混合后裝入石墨模具中進(jìn)行SPS原位反應(yīng)合成。燒結(jié)條件為壓力50MPa，升溫速率150℃/min，溫度550℃，保溫時(shí)間5min。獲得具有納米/微米復(fù)合晶粒結(jié)構(gòu)的CoSb3致密塊體材料，相對(duì)致密度為97.0％，熱電性能測(cè)試結(jié)果如圖2-5所示。該材料在700K取得最大ZT值0.34。
權(quán)利要求
1.一種納米/微米復(fù)合晶粒結(jié)構(gòu)的CoSb3熱電材料制備方法，其特征在于以80-100nm金屬鈷和20-40μm銻單質(zhì)元素粉末為原料，按CoSb3化合物的化學(xué)式稱重配料，在氬氣保護(hù)下，粉末研磨混合，然后進(jìn)行放電等離子燒結(jié)(SPS)原位反應(yīng)合成，壓力30-50MPa，升溫速率120-150℃/min，溫度450-550℃，保溫時(shí)間3-5min，氣氛為真空。
全文摘要
本發(fā)明屬于熱電材料的制造技術(shù)領(lǐng)域?，F(xiàn)有微米晶粒的CoSb
文檔編號(hào)B22F9/04GK1786229SQ20051011753
公開(kāi)日2006年6月14日 申請(qǐng)日期2005年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月4日
發(fā)明者張久興, 張忻, 路清梅, 劉丹敏 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)