【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于熱電材料，具體涉及一種半赫斯勒結構熱電材料及其制備方法與應用。
技術介紹
1、能源、材料和信息是人類社會發展的三大支柱。自工業革命以來發展的現代人類文明社會很大程度上正是依托著以煤炭、石油、天然氣為首的化石燃料能源。然而，這些能源并非取之不盡用之不竭，社會越是高度發展，能源的需求量就越大，不可再生的化石燃料正面臨儲量危機。在化石燃料日益枯竭的當下，除提倡使用如太陽能、風能、水力等可再生清潔能源外，開發清潔可靠的能源轉化技術受到廣泛關注。現代工業是耗能十分嚴重的產業，同時也存在著龐大的能源浪費。作為能源轉化材料中的一類，熱電材料可有效運用于工業廢熱、汽車發動機和尾氣廢熱等的回收利用，對于提高能源使用效率、緩解能源危機具有重大意義。除此以外，家用制熱制冷電器也有熱電器件的應用，可以說上至社會可持續性發展，下至日常生活便利化，熱電材料都能做出貢獻。
2、熱電材料實現了熱能與電能間的直接可逆轉化，轉化過程包含三種效應：塞貝克效應、帕爾帖效應和湯姆遜效應。三者為系統性地研究熱電材料提供了理論依據。熱電器件有著結構簡單、無運動部件、精確控溫、兼具冷熱、無氣液態工作介質的特點。而熱電材料包含眾多的材料體系，不同溫度的應用場景都能找出相匹配且熱電性能與熱穩定性優異的材料。無量綱熱電優值zt的大小衡量了熱電材料能量轉化效率，zt＝s2σt/κ，其中s、σ、κ、t分別為材料的塞貝克系數、電導率、熱導率與環境的絕對溫度。
3、半赫斯勒合金是一類中高溫熱電材料，其在高溫下有較優秀的機械性能、熱穩定性，化學式可寫作a
技術實現思路
1、本專利技術的目的就是為了解決上述問題至少其一而提供一種半赫斯勒結構熱電材料及其制備方法與應用，通過在原本ru所占的晶格位替換摻雜ni元素，以解決現有技術中nbrusb材料在本征狀態下載流子濃度低、電輸運性能低的問題，實現了通過較短的制備流程制備得到半赫斯勒結構的純相，并優化了半赫斯勒結構熱電材料的熱電性能。
2、本專利技術的目的通過以下技術方案實現：
3、本專利技術的技術方案之一在于提供了一種半赫斯勒結構熱電材料，所述熱電材料為取代nbrusb中的ru形成的n型熱電材料，其化學式為nbru1-xnixsb，其中x取值范圍為0<x≤0.1。
4、進一步的，所述nbru1-xnixsb中，x的值選自0.02、0.04、0.06、0.08和0.1中的任一種。
5、進一步的，所述的熱電材料的電導率在1770-80700s·m-1之間，塞貝克系數在(-340)-(-160)μv·k-1之間，功率因子在1.1-34.9μw·cm-1·k-2之間，熱導率在5.72-11.91w·m-1·k-1之間，zt值在0.003-0.404之間。
6、更進一步的，x的值為0.1時，nbru0.9ni0.1sb在682k溫度下最高功率因子為23μw·cm-1·k-2。
7、本專利技術的技術方案之二在于提供了一種如上所述的半赫斯勒結構熱電材料的制備方法，以nb單質、ru單質、ni單質、sb單質為原料，采用高能球磨、火花等離子體燒結以及退火的方法制備得到半赫斯勒結構熱電材料。
8、進一步的，制備方法包括如下步驟：
9、s1：配樣：根據nb：ru：ni：sb＝1：(1-x)：x：1的化學計量比，將nb單質、ru單質、ni單質、sb單質進行稱量，其中x取值范圍為0<x≤0.1；
10、s2：合金化：將步驟s1中稱量好的單質高能球磨；
11、s3：燒結：將步驟s2中高能球磨得到的混合粉末進行火花等離子體燒結；
12、s4：真空封管：將步驟s3中燒結得到的材料進行真空封管；
13、s5：退火：將步驟s4中真空封管后的管進行高溫退火，冷卻后得到所述半赫斯勒熱電材料。
14、進一步的，步驟s1中配樣的原料總量取0.02mol，通過公式m＝n×m(n：特定成分下某一元素所需摩爾量、m：所需質量、m：原子摩爾質量)與相應成分的化學計量比即可計算出各元素需求的質量。
15、進一步的，步驟s1中，所述nb單質、ru單質、ni單質、sb單質分別為單質nb片、ru粉、ni片、sb粒。
16、進一步的，步驟s1中，將稱量好的各單質在惰性氣體環境下置于不銹鋼球磨罐中。
17、進一步的，步驟s2中，所述高能球磨的時間為20-24h。
18、進一步的，步驟s2中，單質在高能球磨機中進行長時間連續不斷地球、料碰撞獲取混合粉末。
19、進一步的，步驟s1與s2中的樣品與球磨得到混合粉末均在惰性氣體環境中保存。
20、進一步的，所述惰性氣體為氬氣。
21、進一步的，步驟s3中，所述火花等離子體燒結包括如下步驟：將球磨得到的混合粉末置于石墨模具中抽真空，隨后通過石墨模具向粉末施加3.5-4kn的壓力，隨后開始燒結，燒結氣壓為50-60mpa，在30-50℃/min的升溫速度下升溫到850℃后開始保溫10-15min，隨后撤去施加的壓力并自然冷卻至室溫，得到塊體材料。
22、進一步的，步驟s4中，真空封管的過程包括：將燒結后的材料放入石英管中，連接石英管與封管設備，利用封管設備密封石英管，抽氣、充氣循環3-5次，洗氣，抽真空至小于3pa，利用高溫氫氧火焰強加熱石英塞處，軟化石英管而真空封裝材料。
23、進一步的，步驟s5中，將石英管放入馬弗爐中進行退火。
24、進一步的，步驟s5中，高溫退火的退火溫度為800-850k，升溫速率為1-2℃/min，保溫3-7天后爐冷。
25、本專利技術的技術方案之三在于提供了一種如上所述的半赫斯勒結構熱電材料在熱電器件制造方面的應用。
26、本專利技術首先制備18價電子半赫斯勒結構熱電材料nbrusb的純相，測試其本征熱電性能，發現本征nbrusb表現出n型導電類型，且具有低電導率、高塞貝克系數和高熱導率的特點。價電子數18的半赫斯勒結構大都可以穩定合成，其成鍵態與反鍵態分離呈現半導體的物理性質，且表現出高功率因子高熱導的特點。為改善本征nbrusb載流子濃度較低的問題，本專利技術采用價電子數較多的ni取代摻雜ru的方式調節載流子濃度，旨在專利技術一種具有高熱電性能，特別是高功率因子的半赫斯勒結構熱電材料。
27、在符合本領域常識的基礎上，上述各優選條件，可任意組合，即得本專利技術各較佳實施例。
28、與現有技術相比，本專利技術具有以下優點：
29、1、本專利技術所制備得到的新型半赫斯勒結構熱電材料為nbrusb和ni單質摻雜形成的n型熱電材料，其化學式為nbru1-xnixsb，通過在原本ru所占的晶格位替換摻雜ni元素，優化了新型半赫斯勒結構熱電材料的熱電性能，其中nbru0.9ni0.1sb存在最高熱電性能，在682k溫度下，功率因子高達34.8μw本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種半赫斯勒結構熱電材料，其特征在于，所述熱電材料為Ni單質摻雜取代NbRuSb中的Ru形成的N型熱電材料，其化學式為NbRu1-xNixSb，其中x取值范圍為0<x≤0.1。
2.根據權利要求1所述的一種半赫斯勒結構熱電材料，其特征在于，所述NbRu1-xNixSb中，x的值選自0.02、0.04、0.06、0.08和0.1中的任一種。
3.根據權利要求1所述的一種半赫斯勒結構熱電材料，其特征在于，所述熱電材料的電導率在1770-80700S·m-1之間，塞貝克系數在(-340)-(-160)μV·K-1之間，功率因子在1.1-34.9μW·cm-1·K-2之間，熱導率在5.72-11.91W·m-1·K-1之間，zT值在0.003-0.404之間。
4.一種如權利要求1所述的半赫斯勒結構熱電材料的制備方法，其特征在于，以Nb單質、Ru單質、Ni單質、Sb單質為原料，采用高能球磨、火花等離子體燒結以及退火的方法制備得到半赫斯勒結構熱電材料。
5.根據權利要求4所述的一種半赫斯勒結構熱電材料的制備方法，其特征在于，制備方法
6.根據權利要求5所述的一種半赫斯勒結構熱電材料的制備方法，其特征在于，步驟S2中，所述高能球磨的時間為20-24h。
7.根據權利要求5所述的一種半赫斯勒結構熱電材料的制備方法，其特征在于，步驟S1與S2中的樣品與球磨得到混合粉末均在惰性氣體環境中保存。
8.根據權利要求5所述的一種半赫斯勒結構熱電材料的制備方法，其特征在于，步驟S3中，所述火花等離子體燒結包括如下步驟：將球磨得到的混合粉末置于石墨模具中抽真空，隨后通過石墨模具向粉末施加3.5-4kN的壓力，隨后開始燒結，燒結氣壓為50-60MPa，在30-50℃/min的升溫速度下升溫到850℃后開始保溫10-15min，隨后撤去施加的壓力并自然冷卻至室溫，得到塊體材料。
9.根據權利要求5所述的一種半赫斯勒結構熱電材料的制備方法，其特征在于，步驟S5中，高溫退火的退火溫度為800-850K，升溫速率為1-2℃/min，保溫3-7天后爐冷。
10.一種如權利要求1所述的半赫斯勒結構熱電材料在熱電器件制造方面的應用。
...【技術特征摘要】
1.一種半赫斯勒結構熱電材料，其特征在于，所述熱電材料為ni單質摻雜取代nbrusb中的ru形成的n型熱電材料，其化學式為nbru1-xnixsb，其中x取值范圍為0<x≤0.1。
2.根據權利要求1所述的一種半赫斯勒結構熱電材料，其特征在于，所述nbru1-xnixsb中，x的值選自0.02、0.04、0.06、0.08和0.1中的任一種。
3.根據權利要求1所述的一種半赫斯勒結構熱電材料，其特征在于，所述熱電材料的電導率在1770-80700s·m-1之間，塞貝克系數在(-340)-(-160)μv·k-1之間，功率因子在1.1-34.9μw·cm-1·k-2之間，熱導率在5.72-11.91w·m-1·k-1之間，zt值在0.003-0.404之間。
4.一種如權利要求1所述的半赫斯勒結構熱電材料的制備方法，其特征在于，以nb單質、ru單質、ni單質、sb單質為原料，采用高能球磨、火花等離子體燒結以及退火的方法制備得到半赫斯勒結構熱電材料。
5.根據權利要求4所述的一種半赫斯勒結構熱電材料的制備方法，其...
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。