三元稀土銅碲晶體材料用作熱電材料的用途制造技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及三元稀土銅碲晶體材料用作熱電材料的用途。該晶體材料分子通式為RECuTe

Three yuan rare earth copper tellurium crystal material used as thermoelectric material

The present invention relates to the use of three yuan rare earth copper tellurium crystal material as thermoelectric material. The molecular formula of the crystal material is RECuTe

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
三元稀土銅碲晶體材料用作熱電材料的用途
本專利技術(shù)涉及熱電材料
，具體而言，涉及三元稀土銅碲晶體材料的制備方法及用作熱電材料的用途。
技術(shù)介紹
熱電材料是指一類特殊的半導(dǎo)體材料，可以通過內(nèi)部載流子(電子或空穴)運動實現(xiàn)熱能與電能之間的相互轉(zhuǎn)換，這一獨特的物理性能使它們在軍事和航天領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用。近年來隨著全球環(huán)境污染和能源危機日趨嚴重，綠色環(huán)保型的熱電材料的研究獲得了廣泛的關(guān)注與重視。利用熱電材料將廢熱轉(zhuǎn)化為可利用的電能，能夠大幅度的提升能源使用效率，同時在節(jié)能減排方面也可以發(fā)揮關(guān)鍵性作用。熱電材料的熱電轉(zhuǎn)換效率主要是由熱電材料的性能所決定的，可用熱電優(yōu)值ZT來表征，其計算公式為ZT＝(S2σ)T/κ，ZT越大，熱電材料的性能越好。式中S是材料的塞貝克系數(shù)，σ是電導(dǎo)率，T是絕對溫度，κ是總的熱導(dǎo)率。S2σ又被稱為功率因子(簡寫為PF)，用于表征熱電材料的電學性能。2012年，Gulay,L.D.等人(J.SolidStateChem.2012,186,142–148)報道了空間群為的晶體材料RECuTe2(RE＝Tb,Dy)的合成方法，整個反應(yīng)過程長達36天，且并無任何物理性能的報道。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的旨在提供一類晶體材料的制備方法和用作熱電材料的用途。本專利技術(shù)的又一目的是提供一類含有晶體材料的熱電材料及其制備方法。本專利技術(shù)的熱電材料性能優(yōu)異，其熱電優(yōu)化值ZT(750K)最高可達1.0，并且具有較高的穩(wěn)定性。本專利技術(shù)目的通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)：一種晶體用作熱電材料的用途，所述晶體的空間群為且分子式為RECuTe2，其中RE為Tb或Dy。根據(jù)本專利技術(shù)，RECuTe2晶體材料的骨架結(jié)構(gòu)由Cu與Te形成，具有二維類蜂窩狀層狀結(jié)構(gòu)，RE填充于二維層狀中。本專利技術(shù)可獲得純相的晶體材料，且該晶體材料具有較高的熱穩(wěn)定性，能夠穩(wěn)定到1300K以上，同時在630K左右存在一級的結(jié)構(gòu)相變。本專利技術(shù)還提供了上述任一類晶體材料的制備方法，包括：將含有稀土元素、銅元素和碲元素的原料，置于真空條件下，通過高溫固相法制備得到所述晶體材料。優(yōu)選地，所述原料中稀土元素、銅元素和碲元素的摩爾比為RE:Cu:Te＝1:1:2混合后置于真空條件下加熱并恒溫。根據(jù)本專利技術(shù)，將含有稀土元素、銅元素和碲元素的原料混合后置于鍍碳膜的石英坩堝中，然后將鍍碳膜的石英坩堝置于石英反應(yīng)管中，真空抽至10-2Pa并用氫氧火焰燒熔密封石英反應(yīng)管，將石英反應(yīng)管放入帶有溫控儀的管式爐中加熱反應(yīng)。上述制備方法中采用的原料可以是化合物，但并不局限于此，只要含有稀土元素、銅元素和碲元素即可。優(yōu)選稀土元素來自稀土單質(zhì)，銅元素來自銅單質(zhì)，碲元素來自碲單質(zhì)。根據(jù)本專利技術(shù)，高溫固相法是在高溫下長時間保持。優(yōu)選將原料混合物置于真空條件下加熱至800～1300℃。進一步優(yōu)選可以加熱至900～1100℃，更優(yōu)選950～1050℃。所述保持時間大于等于50小時，優(yōu)選大于等于70小時。例如優(yōu)選為100～150小時。在本專利技術(shù)的一個實施方案中，所述高溫固相法的條件為：900～1100℃下保持不少于100小時。在本專利技術(shù)的又一個實施方案中，所述高溫固相法的條件為：950～1050℃下保持100小時。根據(jù)本專利技術(shù)，在上述制備方法中，在高溫制備后，將所述高溫產(chǎn)物降溫到室溫。優(yōu)選以不超過10℃/小時的速率，例如以8℃/小時的速率降至300℃，之后自然冷卻至室溫。本專利技術(shù)還提供了一類熱電材料，其含有一類晶體材料，所述晶體材料的結(jié)構(gòu)為RECuTe2，其中RE為Tb或Dy，空間群為優(yōu)選地，熱電材料由上面所述的晶體材料組成。本專利技術(shù)進一步提供了一類致密塊體狀的熱電材料，其是由晶體材料RECuTe2，其中RE為Tb或Dy，空間群為經(jīng)熱壓燒結(jié)得到。根據(jù)本專利技術(shù)，上述方法中的熱壓燒結(jié)的壓力優(yōu)選為50～150MPa，更優(yōu)選80～120MPa。所述熱壓燒結(jié)的溫度優(yōu)選為600～800℃，更優(yōu)選650～750℃。所述熱壓燒結(jié)時間優(yōu)選大于30分鐘，更優(yōu)選60～120分鐘，進一步優(yōu)選為60～90分鐘。優(yōu)選例如可以在壓力為120MPa和溫度為650℃下熱壓燒結(jié)60分鐘；或者在壓力為90MPa和溫度為700℃下熱壓燒結(jié)90分鐘；或者在壓力為60MPa和溫度為750℃下熱壓燒結(jié)120分鐘。采用該晶體材料熱壓制備的熱電材料性能優(yōu)異，在750K時熱導(dǎo)率為0.44–0.49W/m·K，電導(dǎo)可達93–120S/cm，塞貝克系數(shù)可達226–248μV/K，ZT值為0.95–1.0。根據(jù)本專利技術(shù)的再一方面，提供一類熱電轉(zhuǎn)換器，包括上述本專利技術(shù)所述的晶體材料RECuTe2，其中RE為Tb或Dy，空間群為或者本專利技術(shù)所述的致密塊體熱電材料。本專利技術(shù)至少具有如下有益效果：(1)本專利技術(shù)所述的晶體用作熱電材料性能優(yōu)異，例如，TbCuTe2的熱電優(yōu)值ZT在750K達到1.0。(2)本專利技術(shù)所制備的晶體材料具有較高的穩(wěn)定性。能夠穩(wěn)定到1300K以上，同時在630K左右存在一級的結(jié)構(gòu)相變。(4)本專利技術(shù)在制備空間群為的RECuTe2晶體材料時選擇了特定的加熱溫度，大大縮短了反應(yīng)時間。附圖說明圖1是樣品RECuTe2(RE＝Tb,Dy)粉體的X射線衍射圖譜；圖2是樣品RECuTe2(RE＝Tb,Dy)電熱輸運性能與溫度的關(guān)系圖：(a)是電導(dǎo)與溫度的關(guān)系圖；(b)是塞貝克系數(shù)與溫度的關(guān)系圖；(c)是功率因子與溫度的關(guān)系圖；(d)是熱導(dǎo)率與溫度的關(guān)系圖；圖3是樣品RECuTe2(RE＝Tb,Dy)熱電優(yōu)值ZT與溫度的關(guān)系。具體實施方式以下結(jié)合實施例和附圖對本專利技術(shù)作進一步的詳細說明。但本領(lǐng)域技術(shù)人員了解，本專利技術(shù)的保護范圍不僅限于以下實施例。根據(jù)本專利技術(shù)公開的內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到在不脫離本專利技術(shù)技術(shù)方案所給出的技術(shù)特征和范圍的情況下，對以上所述實施例做出許多變化和修改都屬于本專利技術(shù)的保護范圍。下述實施例中所用材料，如無特殊說明，均是商業(yè)上購買得到的產(chǎn)品。在下述實施例中，X射線粉末衍射圖譜采用理學公司(RigakuCorporation)生產(chǎn)的D/MAX2500型X射線粉末衍射儀分析，Cu靶，Kα輻射源(λ＝0.154184nm)。熱導(dǎo)率采用德國耐馳(Netzsch)的LFA427型熱導(dǎo)儀測試。電導(dǎo)和塞貝克系數(shù)采用日本真空理工公司(ULAC-RIKO，Inc.)的ZEM-3型熱電性能測定儀測定。熱壓燒結(jié)在上海晨鑫電爐有限公司的ZTY-15-20型熱壓燒結(jié)爐中進行。實施例中，原料稀土為購自惠州市拓普金屬材料有限公司純度99.99％的稀土；銅粉購自國藥集團化學試劑有限公司，純度為99.999％；碲塊購自國藥集團化學試劑有限公司，純度為99.999％。實施例1樣品RECuTe2(RE＝Tb,或Dy)粉體的制備將原料稀土RE、銅粉和碲塊(按照稀土元素、銅元素和碲元素的摩爾比為RE:Cu:Te＝1:1:2)依次放置于鍍碳膜的石英坩堝中，將裝有原料的石英坩堝置于石英反應(yīng)管中，真空抽至10-2Pa并用氫氧火焰燒熔密封石英反應(yīng)管。將石英反應(yīng)管放入帶有溫控儀的管式爐中，加熱至1000℃，并保持100小時。然后以不超過10℃/小時的速度程序降溫至300℃后，停止加熱。自然冷卻至室溫。經(jīng)研磨，即得RECuTe2(RE＝Tb,或Dy)晶體材料粉體。下面分別對實施例1中獲得的樣品RECuTe2(RE＝T本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
一種晶體材料用于熱電材料的用途，其特征在于，所述晶體材料的結(jié)構(gòu)為RECuTe

【技術(shù)特征摘要】
1.一種晶體材料用于熱電材料的用途，其特征在于，所述晶體材料的結(jié)構(gòu)為RECuTe2，其中，RE為Tb或Dy，空間群為2.一種熱電材料，其含有權(quán)利要求1中所定義的晶體材料。優(yōu)選地，所述熱電材料由權(quán)利要求1中所定義的晶體材料組成。3.一種致密狀的熱電材料，其是由權(quán)利要求1中所定義的晶體經(jīng)熱壓燒結(jié)得到。優(yōu)選的，所述熱壓燒結(jié)的壓力為50～150MPa，更優(yōu)選為60～110MPa；所述熱壓燒結(jié)的溫度優(yōu)選為600～800℃，更優(yōu)選為650～750℃；所述熱壓燒結(jié)時間優(yōu)選大于30分鐘，更優(yōu)選為60～120分鐘，進一步優(yōu)選為60～90分鐘。4.一種熱電轉(zhuǎn)換器，包括權(quán)利要求1中所定義的晶體材料，或者權(quán)利要求3所述的致密狀的熱電材料。5.權(quán)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：吳立明，林華，陳玲，
申請(專利權(quán))人：中國科學院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所，
類型：發(fā)明
國別省市：福建,35