[发明专利]一种快速制备高性能Mg2Si0.3Sn0.7基热电材料的新方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料领域，具体涉及一种Mg₂Si_0.3Sn_0.7基热电材料的制备方法。

背景技术

能源和环境对于达成可持续发展的目标起着至关重要的作用。能源可以使社会经济得到长足的发展，但同时也会不可避免地造成环境的恶化。由于现阶段能源的紧缺状况和环境污染的日益严重，有效的发展新能源材料成为了国际上重点关注的话题。热电转换技术，可以实现热能与电能之间的直接转换，对减少化石能源的消耗和减轻社会环境的恶化，起到了不容忽视的作用。热电材料，基于Seebeck效应，可以利用废热（工业废气废热，汽车尾气废热等）进行发电，从而可以减轻能源的消耗和环境的恶化。

热电材料能直接将热能转换成电能，具有无传动部件、体积小、无噪音、无污染、可靠性好等优点，在汽车废热回收利用、工业余热发电方面有着巨大的应用前景。热电材料的转换效率主要由无量纲热电优值ZT（ZT=a ²s T/k，其中a为Seebeck系数、s为电导率、k为热导率、T为绝对温度）决定，ZT越大，材料的热电转换效率就会越高。

Mg₂Si_0.3Sn_0.7基固溶体是立方反萤石结构，由于其原料储量丰富、无毒，价格低廉，密度小，热电性能优异，并且此体系的n-型材料热电优值ZT最高可达1.3，因而受到了国际热电领域的高度关注。

目前，Mg₂Si_0.3Sn_0.7基热电材料的合成主要采用熔融法和固相反应法。然而，组成元素较大的熔点差异，Sn的熔点232℃，Mg的熔点649℃，Si的熔点1414℃，以及Mg的高饱和蒸汽压和强反应活性（对玻璃管腐蚀相当严重），使得熔融法并不能获得组成的精确控制（Mg的挥发和氧化等）。低温固相反应，虽然较好地改善了Mg的挥发损失，但是反应时间较长，并且反应次数较多，反应所需总时间为48h。因此，一种简单快捷、能耗少的合成方法对于Mg₂Si_0.3Sn_0.7基热电材料来说，显得非常重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种快速制备高性能Mg₂Si_0.3Sn_0.7基热电材料的新方法，该方法工艺简单，制备时间短，得到的致密块体成分分布均匀、热电性能优异。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种快速制备高性能Mg₂Si_0.3Sn_0.7基热电材料的新方法，它包括如下步骤：

1）1）以Mg粉、Si粉、Sn粉和Sb粉为原料，按Mg_2(1+0.08)(Si_0.3Sn_0.7)_1-ySb_y (Mg过量8%是为了补偿Mg的挥发损失，Sb为掺杂元素，0≤y≤0.025) 热电材料中各原子的化学计量比进行称量，将原料粉体在研钵中混合均匀，将混合均匀的粉末压成块体；

2）将所得块体置于石墨坩埚后，再置于熔体旋甩急冷设备中进行熔融旋甩，得到Mg₂(Si_0.3Sn_0.7)_1-ySb_y（0≤y≤0.025）带状产物；

3）将上一步所得的Mg₂(Si_0.3Sn_0.7)_1-ySb_y（0≤y≤0.025）带状产物研磨成粉末，对其进行放电等离子体活化（PAS，Plasma Activated Sintering）烧结，得到高性能Mg₂(Si_0.3Sn_0.7)_1-ySb_y（0≤y≤0.025）热电材料。

按上述方案，所述的步骤1）中，Mg粉、Si粉、Sn粉和Sb粉的质量纯度均大于等于99.9%。