[发明专利]一种n‑type热电材料NbCoSb的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体热电材料领域，尤其是一种新型n-type热电材料NbCoSb的制备方法。

背景技术

近年来，能源和环境问题逐渐凸显，能源和环境危机日益引发关注。目前，全球每年消耗的能源中约有70%以废热的形式被浪费掉，如何将这些废热有效的回收并利用将极大的缓解能源短缺问题。热电材料是一种能够实现电能与热能之间直接相互转换的半导体功能材料，1823年发现的Seebeck效应和1834年发现的Petier效应为热电能量转换器和热电制冷器的应用提供了理论依据。由热电材料制作的温差发电或制冷器件具有无污染、无噪声、无机械运动部件、体积小、可移动、安全可靠等突出优点，在工业余热发电、汽车废热发电、航天航空探测、野外作业及制冷等领域具有广泛的应用前景。另外，利用热电材料制备的微型元件可用于制备微型电源、微区冷却、光通信激光二极管和红外线传感器的调温系统等，大大拓展了热电材料的应用领域。

热电材料的性能通常用无量纲热电优值ZT来表征，ZT=(S²σ/κ)T，其中S，σ，κ分别是材料的Seebeck系数，电导率和热导率，T是绝对温度。因此，为了获得较高的热电性能，需要材料具有较大的Seebeck系数，从而在相同的温差下可以获得更大的电动势；较大的电导率，以减少由于焦耳热所引起的热量损失；同时具有较低的热导率以保持材料两端的温差。高性能的热电器件还要求n型和p型材料的性能和结构相匹配。

就工业废热和汽车排热利用而言，这些热源属于中高温范围，适用的热电材料有PbTe基合金、skutterudite和half-Heusler（HH）化合物。PbTe中含有Pb毒性强，对环境污染严重，且该材料的机械性能极差；Skutterudite热稳定性差，所用稀土金属匮乏且昂贵，这些都限制了它们的大规模生产及应用。Half-Heusler化合物作为一种高性能的中高温热电材料，具有机械性能强、热稳定性高、储量丰富、环境友好等优势，应用前景广阔。

Half-Heusler化合物的化学式通常ABX来表示，A为元素周期表中左边副族元素（Ti、Zr、Hf、V、Nb等），B为过渡族元素（Fe、Co、Ni等），X为ⅢA、ⅣA、ⅤA元素（Sn、Sb等）。这种三元金属间化合物有很多种，多呈现出金属、半金属或半导体特征。现有理论认为，具有半导体性质的half-Heusler化合物应有18个价电子，基于这个规律，热电性能研究也主要集中在这些半导体化合物中。而对于具有19价电子的half-Heusler化合物作为热电材料的相关研究甚少。

传统的18价电子n-type热电材料HfNiSn体系，原材料中含Hf，Hf的单位价格是任意一种其他元素的6倍以上，价格昂贵。

《MaterialsResearchBulletin》70(2015)中公开了一种NbCoSb材料及其制备方法，该方法采用电弧熔炼的方法制取NbCoSb材料，但是该方法所制备的NbCoSb材料操作困难、Sb损耗较大、生产周期长，难以大规模生产，且产品合金成分控制精度不高、产物纯度较低、产品热电性能相对较差。

发明内容

本发明针对上述问题提出了一种新型n-type热电材料NbCoSb的制备方法，能够制取性能优异的NbCoSb材料。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案为，一种新型n-type热电材料NbCoSb的制备方法，包括以下步骤：

a混料冷压：首先按照摩尔比1：1：1的比例称取一定量Nb粉、Co粉、Sb粉，充分混合后再在一定压力下冷压成块；

b真空密封：将冷压得到的粉末块材置入容器中，抽真空密封；

c固态烧结：将密封后的容器进行高温烧结；

d固块磨粉：将烧结得到的产品进行磨制得纳米粉末；

e快速热压：将纳米粉末装入模具中进行快速高温热压，即得所述的新型n-type热电材料NbCoSb。

进一步的所述步骤a混料冷压为按照摩尔比1：1：1的比例称取一定量Nb粉、Co粉、Sb粉，装入不锈钢球磨罐中，在氮气或惰性气体保护下，在高能球磨机上充分混合23～36分钟，均匀混合后的粉末装入冷压模具中，在400～500Mpa下压力下保压15分钟及其以上，冷压成块。

所述步骤b真空密封中使用的容器为石英玻璃管。