技术领域
[0001] 本发明涉及热电材料技术领域，具体为一种铋掺杂Sb2Te3热电材料的制备方法。
相关背景技术
[0002] 热电材料是利用其固体内部的载流子运动来实现热能与电能之间的相互转换，热电材料发电不会给环境带来任何污染负担，热电发电技术可以回收废热源并且将其转变成我们日常所需的电能，其法制得的热电装置还具有使用寿命很长和容易控制等优点；
[0003] 现有的化合物Sb2Te3是一种近年来较受青睐的功能材料，但其目前还存在以下缺点：
[0004] 1、Sb2Te3合金材料的塞贝克系数和电导率低下，功率因子偏低，热电材料转化效率差，使其热电性能不理想，难以得到广泛利用，缺乏对Sb2Te3合金材料电学性能合理有效的优化措施，致使其应用面十分狭窄；
[0005] 2、现有技术会通过掺杂不同材料对Sb2Te3的材料体系进行改性，但是却对温度控制和掺杂量控制的力度不足，难以确认合适的掺杂改性工艺所需要的制备温度和掺杂量，不合适的加工温度和掺杂量会使制品结构稳定性不统一，影响产品质量。
[0006] 本发明采用锑同族元素铋掺杂，目的是增大材料的塞贝克系数和电导率，增大功率因子，从而起到优化Sb2Te3合金材料电学性能的作用。本发明采用纯度都为4N的碲粉、锑粉和铋粉，通过高温气氛烧结制备得到化合物BixSb2‑xTe3。主要探索不同烧结温度以及不同铋含量掺杂对碲化锑性能的影响规律，最终得到的更优产品对我们社会的发展有着重要作用。
具体实施方式
[0041] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042] 下面结合实施例对本发明作进一步的描述。
[0043] 实施例1
[0044] 本实施例的一种铋掺杂Sb2Te3热电材料的制备方法，所述铋掺杂Sb2Te3的化学式为：BixSb2‑xTe3，其中：Bi为铋元素，x为铋元素在BixSb2‑xTe3整体化学组成中的原子百分比，x取值5％；
[0045] 所述铋掺杂Sb2Te3的制备过程为：获取铋粉、锑粉和碲粉，配比后进行球磨工艺加工，将所制得的粉状物进行压片，然后进行烧结工艺后制得。
[0046] 所述球磨工艺的流程，包括以下步骤：
[0047] 步骤11：将搅拌设备和球磨设备清洁并烘干后，先向搅拌设备内倒入按BixSb2‑xTe3的比例分别计量的4N纯度的铋粉、锑粉和碲粉，以400r/mi n的转速搅拌混合15mi n，制得混合物A；
[0048] 步骤12：将混合物A倒入球磨设备内，再向球磨设备内放置磨球，进行抽真空后，以600r/mi n的转速球磨2‑2.5h，制得混合物B；
[0049] 步骤13：将混合物B倒入其重量400％的去离子水中，投入分散机内，在20‑40℃的环境下，以1100r/mi n的转速搅拌25mi n，制得分散物；
[0050] 步骤14：将分散物在100‑110℃的环境下，以400r/mi n的转速搅拌30mi n，完成球磨。
[0051] 所述步骤12中的磨球与混合物A的比例为5:1。
[0052] 所述步骤12中的抽真空的真空度为：12pa。
[0053] 所述压片的流程，包括以下步骤：
[0054] 步骤21：将经过球磨工艺后的产物放入模具内；
[0055] 步骤22：启动压机以1GPa的压力进行压平；
[0056] 步骤23:脱模后，完成压平工艺。
[0057] 所述烧结工艺的流程，包括以下步骤：
[0058] 步骤31：获取完成压平工艺的块状产物，在模具内倒入其体积比15％的氮化硼，然后放入块状产物，再添加其体积比10％的氮化硼；
[0059] 步骤32：将模具放入烧结设备内，并在设备内布置其体积比120％的活性炭，进行抽真空处理；
[0060] 步骤33:进行升温和保温后，完成烧结工艺。
[0061] 所述步骤32中的抽真空的真空度为0.75MPa。
[0062] 所述步骤33中的升温和保温过程为：首先设置烧结压力5MPa，以60℃/min的温度升温至360℃，然后调整烧结压力至57MPa，以50℃/min的温度升温至620℃，然后保温20min，降压冷却后完成制备。
[0063] 实施例2
[0064] 本实施例的铋掺杂Sb2Te3热电材料的制备方法，所述铋掺杂Sb2Te3的化学式为：BixSb2‑xTe3，其中：Bi为铋元素，x为铋元素在BixSb2‑xTe3整体化学组成中的原子百分比，x取值15％；
[0065] 所述铋掺杂Sb2Te3的制备过程为：获取铋粉、锑粉和碲粉，配比后进行球磨工艺加工，将所制得的粉状物进行压片，然后进行烧结工艺后制得。
[0066] 所述球磨工艺的流程，包括以下步骤：
[0067] 步骤11：将搅拌设备和球磨设备清洁并烘干后，先向搅拌设备内倒入按BixSb2‑xTe3的比例分别计量的4N纯度的铋粉、锑粉和碲粉，以400r/mi n的转速搅拌混合15mi n，制得混合物A；
[0068] 步骤12：将混合物A倒入球磨设备内，再向球磨设备内放置磨球，进行抽真空后，以600r/mi n的转速球磨2.5h，制得混合物B；
[0069] 步骤13：将混合物B倒入其重量400％的去离子水中，投入分散机内，在40℃的环境下，以1100r/mi n的转速搅拌25mi n，制得分散物；
[0070] 步骤14：将分散物在110℃的环境下，以400r/mi n的转速搅拌30mi n，完成球磨。
[0071] 所述步骤12中的磨球与混合物A的比例为5:1。
[0072] 所述步骤12中的抽真空的真空度为：12pa。
[0073] 所述压片的流程，包括以下步骤：
[0074] 步骤21：将经过球磨工艺后的产物放入模具内；
[0075] 步骤22：启动压机以1GPa的压力进行压平；
[0076] 步骤23:脱模后，完成压平工艺。
[0077] 所述烧结工艺的流程，包括以下步骤：
[0078] 步骤31：获取完成压平工艺的块状产物，在模具内倒入其体积比15％的氮化硼，然后放入块状产物，再添加其体积比10％的氮化硼；
[0079] 步骤32：将模具放入烧结设备内，并在设备内布置其体积比120％的活性炭，进行抽真空处理；
[0080] 步骤33:进行升温和保温后，完成烧结工艺。
[0081] 所述步骤32中的抽真空的真空度为0.5‑0.75MPa。
[0082] 所述步骤33中的升温和保温过程为：首先设置烧结压力5MPa，以60℃/min的温度升温至360℃，然后调整烧结压力至57MPa，以50℃/min的温度升温至620℃，然后保温20min，降压冷却后完成制备。
[0083] 实施例3
[0084] 本实施例的铋掺杂Sb2Te3热电材料的制备方法，所述铋掺杂Sb2Te3的化学式为：BixSb2‑xTe3，其中：Bi为铋元素，x为铋元素在BixSb2‑xTe3整体化学组成中的原子百分比，x取值25％；
[0085] 所述铋掺杂Sb2Te3的制备过程为：获取铋粉、锑粉和碲粉，配比后进行球磨工艺加工，将所制得的粉状物进行压片，然后进行烧结工艺后制得。
[0086] 所述球磨工艺的流程，包括以下步骤：
[0087] 步骤11：将搅拌设备和球磨设备清洁并烘干后，先向搅拌设备内倒入按BixSb2‑xTe3的比例分别计量的4N纯度的铋粉、锑粉和碲粉，以400r/min的转速搅拌混合15min，制得混合物A；
[0088] 步骤12：将混合物A倒入球磨设备内，再向球磨设备内放置磨球，进行抽真空后，以600r/mi n的转速球磨2.5h，制得混合物B；
[0089] 步骤13：将混合物B倒入其重量400％的去离子水中，投入分散机内，在40℃的环境下，以1100r/mi n的转速搅拌25mi n，制得分散物；
[0090] 步骤14：将分散物在110℃的环境下，以400r/mi n的转速搅拌30mi n，完成球磨。
[0091] 所述步骤12中的磨球与混合物A的比例为5:1。
[0092] 所述步骤12中的抽真空的真空度为：12pa。
[0093] 所述压片的流程，包括以下步骤：
[0094] 步骤21：将经过球磨工艺后的产物放入模具内；
[0095] 步骤22：启动压机以1GPa的压力进行压平；
[0096] 步骤23:脱模后，完成压平工艺。
[0097] 所述烧结工艺的流程，包括以下步骤：
[0098] 步骤31：获取完成压平工艺的块状产物，在模具内倒入其体积比15％的氮化硼，然后放入块状产物，再添加其体积比10％的氮化硼；
[0099] 步骤32：将模具放入烧结设备内，并在设备内布置其体积比120％的活性炭，进行抽真空处理；
[0100] 步骤33:进行升温和保温后，完成烧结工艺。
[0101] 所述步骤32中的抽真空的真空度为0.5‑0.75MPa。
[0102] 所述步骤33中的升温和保温过程为：首先设置烧结压力5MPa，以60℃/min的温度升温至360℃，然后调整烧结压力至57MPa，以50℃/min的温度升温至620℃，然后保温20min，降压冷却后完成制备。
[0103] 实施例4
[0104] 本实施例的铋掺杂Sb2Te3热电材料的制备方法，所述铋掺杂Sb2Te3的化学式为：BixSb2‑xTe3，其中：Bi为铋元素，x为铋元素在BixSb2‑xTe3整体化学组成中的原子百分比，x取值50％；
[0105] 所述铋掺杂Sb2Te3的制备过程为：获取铋粉、锑粉和碲粉，配比后进行球磨工艺加工，将所制得的粉状物进行压片，然后进行烧结工艺后制得。
[0106] 所述球磨工艺的流程，包括以下步骤：
[0107] 步骤11：将搅拌设备和球磨设备清洁并烘干后，先向搅拌设备内倒入按BixSb2‑xTe3的比例分别计量的4N纯度的铋粉、锑粉和碲粉，以400r/min的转速搅拌混合15min，制得混合物A；
[0108] 步骤12：将混合物A倒入球磨设备内，再向球磨设备内放置磨球，进行抽真空后，以600r/min的转速球磨2.5h，制得混合物B；
[0109] 步骤13：将混合物B倒入其重量400％的去离子水中，投入分散机内，在40℃的环境下，以1100r/min的转速搅拌25min，制得分散物；
[0110] 步骤14：将分散物在110℃的环境下，以400r/mi n的转速搅拌30mi n，完成球磨。
[0111] 所述步骤12中的磨球与混合物A的比例为5:1。
[0112] 所述步骤12中的抽真空的真空度为：12pa。
[0113] 所述压片的流程，包括以下步骤：
[0114] 步骤21：将经过球磨工艺后的产物放入模具内；
[0115] 步骤22：启动压机以1GPa的压力进行压平；
[0116] 步骤23:脱模后，完成压平工艺。
[0117] 所述烧结工艺的流程，包括以下步骤：
[0118] 步骤31：获取完成压平工艺的块状产物，在模具内倒入其体积比15％的氮化硼，然后放入块状产物，再添加其体积比10％的氮化硼；
[0119] 步骤32：将模具放入烧结设备内，并在设备内布置其体积比120％的活性炭，进行抽真空处理；
[0120] 步骤33:进行升温和保温后，完成烧结工艺。
[0121] 所述步骤32中的抽真空的真空度为0.75MPa。
[0122] 所述步骤33中的升温和保温过程为：首先设置烧结压力5MPa，以60℃/mi n的温度升温至360℃，然后调整烧结压力至57MPa，以50℃/mi n的温度升温至620℃，然后保温20mi n，降压冷却后完成制备。
[0123] 性能测试
[0124] 将实施例1‑4所制备的产品作为比对例1‑4，以相同工艺制备不掺杂铋的Sb2Te3热电材料，作为比对例5，进行性能测试：
[0125] 比对例1‑4的性能参数所示如图1‑3所示，比对例5的性能参数，如图4‑6，由此可见，比对例1‑4的电阻率、塞贝克系数和功率因子等参数，均优于未掺杂铋的比对例5，并且比对例1‑4中，最佳的烧结温度为590℃，最佳的铋掺杂比例为15％，得到的最佳功率因子为2241.091μw/mk2，并且其微观结构分布较均匀。
[0126] 综上所述，本发明通过以铋元素掺杂的方式，对Sb2Te3体系材料进行改性，增大了材料的塞贝克系数和电导率，增大了功率因子，使其具备优秀的热电转换率，进而拓宽其应用面，电学性能的提升，让其适用于多行业的生产和研究，通过对铋元素掺杂量和烧结温度的控制，使其在超过现有技术电学性能的基础上，进一步达到材料本身所具备的较佳热电性能，进而获得高热电性能的热电材料，提升其使用价值。
[0127] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不会使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
