[发明专利]液体急冷结合放电等离子烧结制备硅锗基热电材料的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热电材料的制备方法，具体说，是关于一种硅锗基热电材料 的制备方法。

背景技术

热能和电能是我们社会生活中最重要的能源形态，其中电能是各种形态能源 中传输和使用最多、最为方便的一种。目前使用的电能很大一部分是由化石燃料 燃烧加热水形成蒸汽，驱动汽轮机发电而得到的。这个过程复杂、设备昂贵、易 出问题、污染环境，造成能源浪费。近年来，随着能源的日益紧缺，环境污染问 题的日趋严重以及人们其对传统能源观念的转变，寻找高效率、无污染的能量转 换方式已经成为当今能源科学急需解决的问题之一。利用热电材料可以将热能直 接转换为电能，所制成的发电系统体积小、重量轻；无任何机械传动部件，工作 中无噪音，不造成任何环境污染，使用寿命长，且易于控制，是一种非常理想的 能量转换方式，尤其适合于航天、军事等特殊领域的应用，因而热电材料成为能 源材料领域的研究热点。

目前研究较成熟的热电材料主要有Bi₂Te₃/Sb₂Te₃、PbTe和SiGe合金，分别 适用于低温、中温和高温应用。其中SiGe合金主要适用于700K以上的高温，可 以利用放射性同位素自然衰变所释放的热量作发电热源，是当前用于航天器动力 电源主要使用的热电材料。材料的热电性能一般由热电优值系数Z描述：Z＝α²σ/λ，它由材料的塞贝克系数α，电导率σ，热导率λ决定。材料要得到高的Z 值，应具有高的塞贝克系数、高的电导率和低的热导率。为增大Z值，在复杂的 体系内，最关键的是降低晶格热导率，这是目前提高材料热电效率的主要途径。 一般从掺杂，形成固溶体，减小晶粒尺寸等方面入手，但降低热导率的同时往往 会引起电导率和塞贝克系数的下降，要从根本上解决这对矛盾，需要引入新的思 想和开辟新的制备途径。近年来纳米技术在提高热电转化效率方面显示了光明的 前景，理论或实验方面均已证实，具有纳米结构的热电材料具有更好的热电性质， 纳米结构材料可以引起声子传输过程中的强烈散射效应而使热导率大幅下降。急 冷快速凝固法是一种以10⁴～10⁹℃/s的高冷速凝固合金，所制备的材料的组织及 结构出现了许多新的变化：扩大了固溶极限，可以抑制其它杂相的生成，增大掺 杂量；得到超细晶粒甚至非晶；极少偏析或无偏析，成分均匀等，这些特点对提 高材料的热电性能都非常有利。

发明内容

本发明的目的在于采用金属液体急冷结合放电等离子烧结制备细晶粒的硅锗 基热电材料的方法。

为了实现上述目的，本发明具体采用如下的技术方案：

一种液体急冷结合放电等离子烧结制备硅锗基热电材料的方法，包括以下各 步骤：

(1)按选定的硅锗基合金中的元素成分，在真空或惰性气体环境中，加热到 合金的熔点以上温度进行保温30Min～6h，得到SiGe基合金；

(2)将步骤(1)熔炼好的硅锗基合金块装入液体急冷设备的感应加热器中，加 热将其熔化；

(3)在保护性气气氛中，对熔融的合金进行快速凝固处理；

(4)将步骤(3)中得到的合金薄带材料碾磨粉碎成粉末，采用放电等离子体烧 结方法，将合金的粉末烧结成致密的块体热电材料。

所述的硅锗基合金成分包括有Si含量50～90at％，Ge含量10～50at％。Si 含量和Ge含量的总量为100at％。

在所述的硅锗基合金成分中，还包括有相对于硅和锗的总量的0～gat％的掺 杂元素一种或几种，其中，掺杂元素选择范围：P、Sb、Bi B、Ga、稀土元素、 过渡金属元素。

在所述的步骤(3)中，快速凝固处理采用是单辊法和双辊法方法中的任何一 种方法，冷却速度≥10⁵K/s。

在所述的步骤(4)中，将合金的粉末烧结成致密的块体热电材料的过程是， 将合金的粉末装入石墨模具中压实，连同模具一起在＜10Pa真空条件下进行烧 结，进行烧结，烧结温度600～1200℃，升温速度20～200℃/Min，烧结时间1～ 30Min，压力为30～100MPa。