[发明专利]一种Mg2Si热电材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热电材料的制备方法，尤其涉及一种Mg₂Si热电材料的制备方法。

背景技术

热电材料是一种利用固体内部载流子的运动实现热能和电能相互转换的功能材料。随着全球工业化进程的加快，能源枯竭和环境污染已经成为世界各国不容忽视的问题，自上世纪九十年代以来，热电材料以其独特的性能成为材料科学的一个研究热点。它的热电转换效率常用热电优值Z或无量纲优值ZT来表征，Z=S²/ ρκ，其中S为塞贝克系数，ρ为电阻率，κ为热导率。根据已有的研究，以Mg为中心的Mg₂X（X=Si、Ge、Sn）系列金属间化合物是一种有前途的热电半导体材料。尤其以Mg₂Si为基的固溶体，是适用于450K~800K的中温区热电材料，具有较大的有效质量和较小的晶格热导率，根据热电半导体性能化指标β=m^*3/2μ/k_ph（其中：m^*、μ、k_ph分别是载流子有效质量、载流子迁移率、晶格热导率），其β值为14远高于Mg₂Ge、Mg₂Sn以及FeSi₂和Mn₂Si热电体系的值，近年来十分受到关注。Mg₂Si基热电材料除了兼顾有其它热电材料结构简单，体积小、可靠性高等优点外，还有其自身特有的特性，如Mg、Si的原料资源非常丰富，价格比较低廉，无毒无污染，抗氧化，耐腐蚀等优点，是一种很有潜力的热电材料，可以广泛应用于各个领域。

目前，由于Mg易挥发氧化及Mg₂Si化合物具有严重的晶间脆裂倾向，使Mg₂Si的制备和应用受到了极大的限制，其块体材料的制备方法主要是熔融法和机械合金化法，但熔融法无法解决由Mg、Si之间较大的熔点差及密度差带来的Mg高温挥发、Si与熔池的碳化反应以及二者不易混合反应，而机械合金化法也会混入少量杂质和部分氧化。为解决这些问题，近来出现了一些新的合成方法，如放电等离子烧结、微波低温固相合成等，这些新的合成方法因其产品致密度高等优点慢慢被人们所重视，但是由于其制备成本较高，与实际应用脱节，如为达到高致密度要求，需要设备费用昂贵，导致制备成本较高，亦不适合实际应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种操作工艺简单、设备成本低廉、产品组分易控制的Mg₂Si热电材料的制备方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种Mg₂Si热电材料的制备方法，包括以下步骤：

⑴将Mg粉和Si粉按2.01~2.13:1的摩尔比在Ar保护气氛下混合均匀，得到混合物；

⑵将所述混合物放入充有一个大气压Ar的手套箱中，并将该手套箱装入不锈钢真空球磨罐中，以200~300rpm的转速进行间歇式球磨5~20h，以活化粉末表面并得到均匀的混合粉体，其中球料质量比（㎏/㎏）为10~20:1；

⑶将所述混合粉体在10~20MPa的压力下保压3~10min进行压片，得到Mg-Si混合粉体压片；

⑷将所述Mg-Si混合粉体压片装入与之规格相匹配的石墨模具中，并将该石墨模具置于Ar气氛下的管式炉进行一次烧结、保温，即得Mg₂Si热电材料的合金粉体；

⑸将所述Mg₂Si热电材料的粉体在20~30MPa的压力下保压10~20 min进行压片，得到Mg₂Si合金片；

⑹将所述Mg₂Si合金片装入与之规格相匹配的石墨模具中，并将该石墨模具置于Ar气氛下的管式炉进行二次烧结、保温，即得Mg₂Si块体热电材料。

所述步骤⑵中不锈钢真空球磨罐中钢球粒径为0.5~1.5cm。

所述步骤⑷中一次烧结、保温的条件是指以5~10℃/min的升温速率升至500~600℃，保温时间为7~9h。

所述步骤                                                中二次烧结、保温的条件是指以5~10℃/min的升温速度升至800~850℃，保温时间为0.5~2h。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明将机械合金化和Ar保护无压烧结相结合，工艺简单，操作容易，并且制备成本低廉。