[发明专利]一种择优取向n型碲化铋基多晶块体热电材料的制备方法

说明书

本发明提供了一种择优取向n型碲化铋基多晶块体热电材料的制备方法，包括以下步骤：以Bi、Te和Se单质粉末为原料，按Bi₂Te_3‑xSe_x化学计量比称取配料，将上述原料装入石英玻璃管或高硼硅玻璃管抽真空密封，再将密封的石英玻璃管或高硼硅玻璃管放入摇摆炉内进行充分熔炼，熔炼结束之后，将摇摆炉炉膛旋转至竖直位置，冷却后制得n型碲化铋基合金晶棒；将制得的n型碲化铋基合金晶棒切割成块体，将块体装入等通道转角挤压模具后置于热压烧结炉中进行烧结挤压，即得择优取向n型碲化铋基多晶块体热电材料。本发明所制备的n型碲化铋基多晶块体热电材料电阻率较低、塞贝克系数较高、热导率低和无量纲热电优值较高。

技术领域

本发明属于碲化铋基热电材料技术领域，具体涉及一种择优取向n型碲化铋基多晶块体热电材料及其制备方法。

背景技术

区域熔炼法生产的Bi₂Te₃基合金具有较好的热电性能，其室温下的ZT值在1左右，已被广泛应用于热电行业。但是在区域熔炼法生产的Bi₂Te₃基合金中，Te(1)-Te(1)原子层之间仅依靠范德华力结合在一起，机械加工性能较差。为了解决区熔Bi₂Te₃基合金机械加工性能差的问题，很多科研机构和生产厂商采用粉末冶金技术制备多晶Bi₂Te₃基热电材料，虽然p型取得了很大的进展，但是n型多晶Bi₂Te₃基合金的ZT值仍偏低30～40％。然而在热电器件的实际生产中，只有p型和n型热电材料的性能相匹配，才能有更大的热电转换效率。因此如何提高n型多晶Bi₂Te₃基合金的热电输运性能是目前亟待解决的问题。

以往的文献大量报道了通过控制球磨时间，细化晶粒，调节掺杂等方法来优化n型Bi₂Te₃基多晶合金的性能。但是因为n型半导体为电子导电，在球磨的过程中，细化晶粒的同时会加强类施主效应，产生大量的电子，同时晶粒的细化会加强对载流子的散射，降低载流子迁移率，使得合金的电输运性能严重恶化，而且晶粒越细，类施主效应越强，电输运性恶化越严重。因此对于性能优异的n型Bi₂Te₃基多晶合金，晶粒尺寸的严格均匀分布也是一个必要条件。然而用常规制粉的方法制备的粉末，其粒度分布都是很宽泛的(从纳米级到几十微米级)，很难制备出粒度均一的粉末。

发明内容

本发明旨在克服现有技术缺陷，目的在于提供一种晶粒细化均匀、择优取向好、工艺简单、生产效率高的择优取向n型碲化铋基多晶块体热电材料的制备方法，所制备的n型碲化铋基多晶块体热电材料电阻率较低、塞贝克系数较高、热导率低和无量纲热电优值较高。

为实现上述之目的，本发明采用的技术方案为：

一种择优取向n型碲化铋基多晶块体热电材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)以Bi、Te和Se单质粉末为原料，按Bi₂Te_3-xSe_x化学计量比称取配料，0.21≤x≤0.6；

(2)将上述原料装入石英玻璃管或高硼硅玻璃管抽真空密封，再将密封的石英玻璃管或高硼硅玻璃管放入摇摆炉内进行充分熔炼，熔炼结束之后，将摇摆炉炉膛旋转至竖直位置，冷却后制得n型碲化铋基合金晶棒；

(3)将步骤(2)中制得的n型碲化铋基合金晶棒切割成块体，将块体装入等通道转角挤压模具后置于热压烧结炉中进行烧结挤压，即得择优取向n型碲化铋基多晶块体热电材料。

步骤(1)中选取质量百分含量大于99.99％的Bi、Te和Se单质粉末为原料。

步骤(2)中在590～750℃温度进行高温熔炼，熔炼时间为5～120min。