[发明专利]一种碲化铋热电材料热挤压成型方法

说明书

一种碲化铋热电材料热挤压成型方法，所述方法包括步骤：获取Bi、Te、Sb和Se的单质原料；将所述单质原料破碎成预设直径的块状体；按照预设化学计量比称量所述块状体；混合所述块状体后并在第一保护气体环境下置于真空高频感应熔炼炉中熔炼成铸锭；将所述铸锭进行球磨并得到粉末体；将所述粉末体用超声波检验筛进行筛选；将筛选后的所述粉末体装入挤压模具中并在第二保护气体环境下进行热挤压并得到碲化铋棒材；将所述碲化铋棒材置于管式气氛炉中并在第三保护气体环境下进行热处理并得到碲化铋热电材料。本申请将粉末冶金与热挤压工艺相结合，实现了高脆性碲化铋热电材料的精密成型和性能提升，解决了温差电致冷器可靠性低及性能衰减的问题。

技术领域

本发明属于热电材料技术领域，具体涉及一种碲化铋热电材料热挤压成型方法。

背景技术

作为一种能够将热能和电能直接相互转换的功能材料，热电材料的本质是利用材料载流子的输运特性，通过Seebeck效应或Peltier效应来实现温差发电和温差电致冷。近半个世纪以来，人们对热电材料展开了深入的研究，发现碲化铋合金及其固溶体是室温段最好的热电材料。碲化铋具有较大的Seebeck系数和较低的热导率，室温下的ZT值接近1，因此被广泛应用在温差电致冷器件上。

碲化铋是由V和VI两主族元素构成的金属间化合物，属于斜方晶系，空间群为R-3m。沿c轴方向，其结构可视为六面体准层状，每层以-Te(1)-Bi-Te(2)-Bi-Te(1)-的方式循环排列。其中，层内的-Bi-Te-之间以共价键相结合，而层间的-Te-Te-则以范德华力相结合。Bi2Te3可与Sb2Te3形成P型合金，记为Bi2-xSbxTe3；与Se2Te3形成n型合金，记为Bi2Te3-ySey。

碲化铋块体材料制备主要有如下几种方法：区域熔炼法、单晶提拉法、粉末冶金法和原位合成法。工业上常采用的区域熔炼法可制备出晶粒取向性良好的准单晶材料，但是由于区熔碲化铋材料的层状结构容易在加工过程中解离，或者即使能制备成热电器件，也会在使用过程中因不同材料之间热膨胀系数不同导致的拉伸和压缩作用产生热应力，致使器件失效损坏、可靠性下降。因此，材料良好的机械性能是制备热电器件非常重要的考量因素。为改善碲化铋材料的机械性能弱、可加工性差等缺点，开发新型制备工艺以获得兼具良好热电性能及优异机械强度的块体碲化铋基热电材料显得非常重要。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种碲化铋热电材料热挤压成型方法，所述方法包括步骤：

获取Bi、Te、Sb和Se的单质原料；

将所述单质原料破碎成预设直径的块状体；

按照预设化学计量比称量所述块状体；

混合所述块状体后并在第一保护气体环境下置于真空高频感应熔炼炉中熔炼成铸锭；

将所述铸锭进行球磨并得到粉末体；

将所述粉末体用超声波检验筛进行筛选；

将筛选后的所述粉末体装入挤压模具中并在第二保护气体环境下进行热挤压并得到碲化铋棒材；

将所述碲化铋棒材置于管式气氛炉中并在第三保护气体环境下进行热处理并得到碲化铋热电材料。

优选地，所述化学计量比为：Bi2-xSbxTe3(1.4≤x≤1.8)或Bi2Te3-ySey(0.1≤y≤0.3)。

优选地，当在所述真空高频感应熔炼炉中熔炼时，所述真空高频感应熔炼炉的升温速率为10℃/min-30℃/min，熔炼温度为700℃-900℃，熔炼时间为1h-5h。

优选地，当将所述铸锭进行球磨时，球料比为3-10，球磨转速为300rpm-600rpm，球磨时间为2h-24h。