[发明专利]一种关于Mg-Si-Sn-Sb基热电材料的快速非平衡制备方法

说明书

本发明涉及一种Mg‑Si‑Sn‑Sb基热电材料的快速非平衡制备方法，包含以下步骤：(1)配料预压成型：在手套箱中按化学式Mg_2(1+z)Si_1‑xSn_xSb_y称取Mg粉、Si粉、Mg₂Si粉、Sn粉及Sb粉等原料，混合均匀后装入石墨模具并预压成坯体；(2)烧结：将装有原料的石墨模具置于放电等离子烧结系统中，抽真空后施加10MPa的预压力，然后将样品加热至903K，并迅速调节压力至30MPa，保温5min，随炉冷却；(3)取出样品，切割打磨即可得到高性能的Mg‑Si‑Sn‑Sb基块体热电材料。本发明具有制备工艺简单、能耗低、制备周期短、重复性好、所得材料微结构奇特、热电性能优异等特点。

技术领域

本发明属于新能源材料领域，具体涉及一种关于Mg-Si-Sn-Sb基热电材料的快速非平衡制备方法。

背景技术

近年来，随着煤炭、石油、天然气等化石燃料储量的逐渐减少，以及世界各国对环境保护的日益重视，以光伏发电、风力发电、潮汐发电等为代表的新能源技术受到了各国政府及科研机构的重视。热电材料是一种典型的新能源材料，其主要应用分为发电和制冷两个领域，分别利用了赛贝克效应和珀尔帖效应。目前常见的热电材料以无机半导体为主，与传统的空调或内燃机不同的是，其能量转换主要依赖于固体材料内部载流子(电子或空穴)的运动而非冷媒的压缩/膨胀或者化石燃料的燃烧。因此既可以直接将热能转换为电能，对电子元器件供电，也可以对各种高端电子元件实现精确固态制冷。

尤其是热电发电具有热能来源广泛(例如工业锅炉的余热、汽车或船舶的发动机尾气排放管废热等)，使用过程中对环境无污染，设备简单并且维护方便，因而在某些特殊领域受到了人们的青睐。例如美国国家航空航天局发射的多个深空探测器(旅行者一号外太阳系空间探测器、好奇号火星探测器等)的供电系统均采用了放射性同位素热电发电装置。这种发电装置的核心部件为放射性同位素及温差发电模块，其中放射性同位素在衰变过程中可以从产生稳定的热能，进而提供温差，而温差发电模块可以直接将热能转换为电能。这种发电装置结构简单紧凑，且免维护，运行周期可以超过20年，因此关于热电技术的研究具有非常重要的经济价值和社会价值。

热电材料是热电器件的核心部件，它决定了热电器件的能量转换效率。材料的综合热电性能一般用无量纲优值ZT＝S²σT/κ评价，其中S为赛贝克系数，σ为电导率，κ为热导率，T为热力学温度。Mg-Si-Sn-Sb基材料是一种面向于700800K温区内热电发电应用的半导体材料化学式可写为Mg₂(Si_1-xSn_x)_1-ySb_y，它是由Mg₂Si和Mg₂Sn形成的固溶体，并在阴离子位置掺杂了少量Sb。Mg-Si-Sn-Sb基材料既具有较低的热导率，同时也具有较高的赛贝克系数，因此，通过合理地调节成分及微结构，可以获得较高的ZT值。除了热电性能突出，该体系还具有如下优势：一、主体原料(即Mg、Si、Sn)在地壳中的储量十分丰富，便于大规模制备及生产；二、主要元素不会对人体健康造成伤害，也不会污染环境，符合我国的环保政策要求；三、原料价格低廉，热电性能稳定，极具商业应用价值。