[发明专利]一种复合钛酸锶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，尤其涉及一种复合型钛酸锶热电材料及其制备方法。

背景技术

热电材料是一种在固体状态下就可使热能与电能相互转换(静态能量转换)的材料。将热电材料能做成重量轻、体积小的微型半导体制冷器，能解决计算机技术、航天技术、超导技术及微电子技术等高技术领域的制冷难题。热电材料还能利用余热或温差发电，释放大量废热的钢铁和化学工业是其未来应用的重要领域。由热电材料制成的器件具有许多优点:无运动部件、结构简单、可靠性高、寿命长、维修方便、噪音小、不使用任何气体和液体、污染很少、温度控制精确、适应温度范围广(200-1400K)；热电发电还可利用低密度分散性热源(如工业废热、汽车尾气等)实现热电转换。因此，热电材料是一种理想的节能和环保材料，具有广阔的应用前景。

高性能热电材料研究和开发是高效率热电转换器件的研制及其应用、商业化的基础和前提。目前为止比较成熟的热电材料仍为BiTe、Ag-Pb-Sb-Te、SiGe等含Te、Ge等对环境有负荷并且是十分稀有的金属元素，这非常不利于热电材料的大规模应用，因而开发低成本、环境友好的氧化物热电材料是热电材料研究的新热点。

热电材料主要通过热电优值(ZT)大小进行评价，目前P型氧化物热电材料性能最好的为钴酸钠体系，ZT值接近1，基本达到使用要求，而N型氧化物热电材料性能最好的为钛酸锶体系，但目前ZT值最高为0.29左右，离应用有很大差距。热电优值与相关技术参数关系如下：ZT＝S²σT/κ，钛酸锶(STO)体系热电优值不高的主要原因是热导率太高，其在室温下的热导率约为10-12W/mK(相对密度100％)，导致ZT值不高。而钛酸钾(KTO)是著名的热障涂层材料，相对于钛酸锶有非常低的热导率，室温下热导率约为2.5W/mK(相对密度100％)。如若将少量的纳米尺度的钛酸钾弥散分布于钛酸锶体材料中，则有望因为明显的声子界面散射而使钛酸锶复合热电材料获得更低的热导率，进而有益于热电性能的提高。

发明内容

为此，本发明提供一种复合钛酸锶热电材料以及其制备方法，以力图解决或至少缓解上述问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种复合钛酸锶热电材料，由铌掺杂钛酸锶粉体和钛酸钾纳米线粉末制成。

可选地，根据本发明的复合钛酸锶热电材料中，所述钛酸钾纳米线粉末的重量为所述铌掺杂钛酸锶粉体重量的1-7％，优选为3％。

根据本发明的另一个方面，提供了一种复合钛酸锶热电材料的制备方法，包括如下步骤：将一定比例的钛酸钾纳米线粉末均匀混入铌掺杂钛酸锶粉体，得到混合物；将所述混合物经15-25MPa冷等静压制备出胚体；将所述胚体在氩气气氛，1400-1600℃下煅烧2-4小时。

可选地，根据本发明的制备方法，所述钛酸钾纳米线的重量为所述铌掺杂钛酸锶粉体重量的1-7％，优选为3％。

可选地，本发明所述的制备方法，所述铌掺杂钛酸锶粉体是将碳酸锶，二氧化钛和氧化铌在氩气气氛，1300-1500℃下煅烧3-5小时后制备得到的。

可选地，根据本发明的制备方法，所述铌掺杂钛酸锶粉体中，铌元素与锶元素的摩尔比为0.1-0.2。

可选地，根据本发明的制备方法，所述钛酸钾纳米线的直径为30-70nm。

可选地，根据本发明的制备方法，所述钛酸钾纳米线是由KOH和TiO₂采用水热法合成得到，KOH的浓度为15-30mol/L，KOH与TiO₂的质量比为15-20:1，反应温度为160-180℃，反应时间为40-60h。

根据本发明的复合钛酸锶热电材料，通过超低热导率纳米钛酸钾添加物与钛酸锶复合的方式，制备出纳米复合结构的热电材料，有效引入大量的声子散射界面，明显降低了制备得到的热电材料的热导率，同时保持其电导率不会显著降低，因而大幅提高了热电优值，进而对于推动热电材料的应用，促进节能环保新型材料和器件的发展产生重要意义。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1为实验室合成的钛酸钾纳米线的透射电子显微镜(TEM)照片；

图2为钛酸钾纳米线经冷压、高温烧结(1500℃×3h)后的热导率随温度变化曲线；

图3为本发明复合钛酸锶热电材料的总热导率随温度变化曲线；