專利名稱：鈮摻雜鉍-銻系低溫?zé)犭姴牧霞捌渲苽浞椒?br> 技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種Nb摻雜Bi-Sb系低溫?zé)犭姴牧霞捌渲苽浞椒ǎ瑢儆跓犭娭评淦靼雽?dǎo)體熱電材料的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
快速的經(jīng)濟(jì)增長使能源和環(huán)境問題成為新世紀(jì)人類面臨的最嚴(yán)俊的挑戰(zhàn)，開發(fā)環(huán)境友好型清潔能源技術(shù)是保持國民經(jīng)濟(jì)和社會生產(chǎn)可持速發(fā)展的重要基礎(chǔ)。半導(dǎo)體熱電材料的主要領(lǐng)域包括溫差發(fā)電裝置、Peltier制冷裝置和溫度傳感器。通常用優(yōu)值摻數(shù)Z來描述熱電制冷的效率，Ζ=α2σ/λ, α為熱電系數(shù)，σ為材料的電導(dǎo)率，λ為材料的熱導(dǎo)率。結(jié)合使用溫度，變成無量綱因子ZT，ZT值越大，制冷能力越強(qiáng)。影響ZT值的主要因素是材料的電導(dǎo)率、Seebeck系數(shù)和熱導(dǎo)率。自50年代發(fā)現(xiàn)ZT值接近1的Bi-Te系ρ型半導(dǎo)體熱電材料以來，提高熱電制冷的效率沒有重大進(jìn)展，雖然用這些材料制備的制冷器件在一些特殊場合得到應(yīng)用，但與機(jī)械制冷相比，只有機(jī)械制冷30%的效率。要想得到更廣泛的應(yīng)用，這就需要將熱電材料的ZT 值提高到3以上，才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。1996年，美國橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室B. C. Sales等發(fā)現(xiàn) RM4X12(R: La, Ce，Nd 等；Μ: Fe, Ru 等；X: As, Sb 等)型化合物的 ZT 值可達(dá) 1. 4，這一重大進(jìn)展，為半導(dǎo)體熱電制冷及新材料的研制注入活力。近幾年，美國、日本、澳大利亞等國家在熱電制冷材料領(lǐng)域研究非常活躍，高性能材料不斷涌現(xiàn)。目前美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室， 幾個(gè)主要的國家實(shí)驗(yàn)室以及一些公司已積極介入此方向。研究論文頻頻發(fā)表在kience， Nature, Phys. Rev. Lett.等有影響的雜志。這些突破主要是以降低材料熱導(dǎo)率為突破口來提高ZT值。Bi-Sb單晶熱電材料是目前在低溫下熱電性能最好的熱電材料之一。在80 K其優(yōu)值系數(shù)可達(dá)到6. 5 ΧΙΟ"3 K—1. Bi和Sb都是半金屬材料，兩者具有相同的斜方六面體晶體結(jié)構(gòu)和相近的晶格摻數(shù)，Bi-Sb合金的物理性能與Sb的含量相關(guān).在 0<X<0. OTBi1^Sb x合金表現(xiàn)為半金屬行為，在0. 07<X<0. 22為η型半導(dǎo)體，在Χ>0. 22又表現(xiàn)為半金屬行為.但是，單晶的制備周期長，機(jī)械加工性能比較差，成本高，不利于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。可見，現(xiàn)有技術(shù)中缺少一種既具有高機(jī)械強(qiáng)度，又在低溫溫區(qū)具有較好性能的熱電材料。因此，探索在較低溫度Ο00 K以下)下具有高熱電轉(zhuǎn)換效率的材料一直是人們研究的熱點(diǎn).本項(xiàng)發(fā)明人采用機(jī)械合金加超高壓的方法，制備了 Bi85Sb15_xNbx樣品塊材。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種摻雜的Bi85Sb15_xNbx熱電材料及其制備方法，具體的說就是利用機(jī)械合金化加超高壓的物理方法，獲得具有熱電性能的Bi85Sb15_xNbx或表示為 Bi85Sb15JNlvi5熱電材料的制備方法。本發(fā)明的任務(wù)是提供一種摻雜的Bi85Sb15_xNbx(其中χ為0-15之間的任意數(shù)值)熱電材料的制備方法。本發(fā)明的目的是通過以下步驟實(shí)現(xiàn)的a)將99.999%Bi粉末與Sb粉末和99. 5%的Nb粉末按照各自在所述分子式中的質(zhì)量比例混合，即Bi =Sb :Nb=85 15-0 0-15混合，并對混合物進(jìn)行球磨；
b)將經(jīng)過球磨后的粉末壓成5mm直徑的塊狀材料；
c)用鉭箔包裹，放入氮化硼管后再放入碳管，以氮化硼為傳壓介質(zhì)，然后放入葉蠟石塊，在六面頂壓機(jī)上壓制，壓制溫度為523K，壓力為5GPa，壓制時(shí)間為30分鐘，得到塊狀熱電材料。上述方法中，制備所述Bi85Sb15_xNbx (其中χ為0-15之間的任意數(shù)值)粉末的方法為Bi、Sb、Nb粉末放入瑪瑙罐中，抽真空后，通入高純氬氣，進(jìn)行球磨反應(yīng)，球磨時(shí)間100小時(shí)。本發(fā)明通過在Bi85Sb15中摻入Nb元素，得到分子式為Bi85Sb15_xNbx或表示為 Bi85Sb15INV15的熱電材料，與低溫下的其它熱電材料相比，本發(fā)明所提供的Bi85Sb15_xNbx. 電材料存在以下優(yōu)點(diǎn)
1)這種熱電材料在溫度為150K以下的低溫溫區(qū)具有較大kebeck系數(shù)，其kebeck 系數(shù)可達(dá)到大約161μν Κ。2)這種熱電材料在溫度為200Κ以下的低溫溫區(qū)具有較大的熱電勢系數(shù)絕對值。3)這種熱電材料的熱電勢可通過調(diào)節(jié)材料中的Nb元素的含量來實(shí)現(xiàn)。4)這種熱電材料機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)電性和熱電勢較好。5)這種熱電材料制造工藝較簡便，易于推廣應(yīng)用。采用本技術(shù)方案的有益效果是，得到一種新型的在200k以下溫度具有較高優(yōu)質(zhì)系數(shù)的熱電材料。提供一種經(jīng)濟(jì)、簡單、實(shí)用在200K附近的低溫溫區(qū)具有優(yōu)良熱電性能的 Bi85Sb15_xNbx 熱電材料。


圖1為Nb摻雜Bi-Sb系低溫?zé)犭姴牧蠘悠返腦RD衍射圖譜。圖2為Bi85Sbf12Nlv3樣品導(dǎo)電率與溫度的關(guān)系曲線圖。圖3為Bi85Sb15_12NbQ_3樣品的kebeck系熟與溫度的關(guān)系曲線圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的具體實(shí)施方式
是通過下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
采用本發(fā)明的Bi85Sb15_xNbx，χ為0-15的任意數(shù)值，熱電材料，采用機(jī)械合金化加超高壓方法制得。其化學(xué)元原料為純凈的鉍、銻、鈮等單質(zhì)元素及高純氬氣。實(shí)施例
化學(xué)式中的質(zhì)量比為1、Bi :Sb=85 15 ；2、Bi :Sb :Nb =85 :14. 5 :0. 5 ；3、Bi :Sb :Nb =85 14 1 ；4、Bi :Sb :Nb=85 :13 :2 ；5、Bi :Sb :Nb =85 :12 :3。其制備方法包括如下步驟
1)將金屬鉍、銻、鈮粉放入按化學(xué)式中的質(zhì)量比稱量后放入機(jī)械球磨罐中，在真空度為 2X 10 時(shí)充入純氬氣，球磨100小時(shí)。2)將機(jī)械球磨后的粉末壓成5mm的塊狀材料。3)用鉭箔包裹，放入碳管，以氮化硼為傳壓介質(zhì)，然后在放入葉蠟石塊，再在六面頂壓機(jī)上壓制，壓制溫度為523K，壓力為5GPa，壓制時(shí)間為30分鐘，完成材料的制備。
權(quán)利要求
1.一種鈮摻雜鉍-銻系低溫?zé)犭姴牧?，其特征在于該低溫?zé)犭姴牧系幕瘜W(xué)成分按質(zhì)量比例為Bi85 Sb 15-0 :NbO-15，在Bi85，釙15的化學(xué)組成上，摻入Nb元素，部分替代Bi85， Sbl5中的Sb元素，用機(jī)械合金化加高壓的物理方法獲得該電熱材料。
2.一種鈮摻雜鉍-銻系低溫?zé)犭姴牧现苽浞椒ǎ涮卣髟谟诓捎脵C(jī)械合金加超高壓方法制得，其制備方法包括如下步驟1)將99.999%的金屬鉍粉、銻粉和99. 5%鈮粉放入機(jī)械球磨罐中進(jìn)行機(jī)械球磨，將得到的Bi85Sb15_QNbQ_15粉末壓成塊狀材料；2)將經(jīng)過球磨后的粉末壓成5mm直徑的塊狀材料；3)用鉭箔包裹，放入氮化硼管后再放入碳管，以氮化硼為傳壓介質(zhì)，然后放入葉蠟石塊，在六面頂壓機(jī)上壓制，壓制溫度為523K，壓力為5GPa，壓制時(shí)間為30分鐘，得到塊狀熱電材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的鈮摻雜鉍-銻系低溫?zé)犭姴牧现苽浞椒?，其特征在于Bi、Sb、Nb 粉末按上述質(zhì)量比例放入瑪璃罐中抽真空，真空度為2X10_3Pa時(shí)充入純氬氣，球磨100小時(shí)。
全文摘要
鈮摻雜鉍-銻系低溫?zé)犭姴牧霞捌渲苽浞椒?，其組成式為Bi85Sb15-xNbx式中x為0-15之間的任意數(shù)值,其制備方法是將Bi、Sb和Nb粉按化學(xué)配比,采用機(jī)械合金化加超高壓工藝制得；這種材料在200K附近具有優(yōu)良的熱電性能，該材料具有機(jī)械強(qiáng)度高，熱電勢和導(dǎo)電性好，在低溫下具有較高的優(yōu)質(zhì)等特性；該材料性能穩(wěn)定，制造工藝較簡便，成本低，易于推廣應(yīng)用。
文檔編號H01L35/34GK102496676SQ20111036666
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者宋春梅, 李來風(fēng), 龔領(lǐng)會 申請人:遵義師范學(xué)院