一种镧系收缩效应优化半哈斯勒合金热电材料及制备方法与流程

本发明涉及热电材料，特别是涉及一种镧系收缩效应优化半哈斯勒合金热电材料及制备方法。

背景技术：

1、在一些nbfesb基半赫斯勒合金(hh，half-heusler)热电材料中，通过将ti、zr、hf原子掺杂到nb位点，得到了nb1-x-y-ztixzryhfzfesb(x,y,z＝0,0.05,0.06,0.07)半赫斯勒合金，以使热电材料的立方结构的稳定性得以改善，也增加了空穴载流子浓度，抑制了晶格热导率。当前，通过ti、zr、hf异价掺杂能够实现热电材料载流子浓度的优化，使得热电材料的最佳载流子浓度能够达到1.6×1021cm-3。然而，如下述表1所示的，在nb1-x-y-ztixzryhfzfesb(x,y,z＝0,0.05,0.06,0.07)半赫斯勒合金热电材料中ti、zr、hf原子的掺杂含量达到一定量(例如x＝y＝z＝0.07)后，虽然载流子浓度仍然会增加，但载流子的散射也随之增加，导致载流子迁移率出现了明显削弱；同时，晶格热导率也显著出现了升高。

2、表1-nb1-x-y-ztixzryhfzfesb(x,y,z＝0,0.05,0.06,0.07)半赫斯勒合金的输运性质参数

3、

技术实现思路

1、鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的镧系收缩效应优化半哈斯勒合金热电材料。

2、本发明的一个目的进一步改善通过ti、zr、hf异价掺杂后nbfesb基体半赫斯勒合金热电材料的热电性能。

3、具体地，本发明提供了一种通过镧系收缩效应优化的半哈斯勒合金热电材料，其特征在于，所述半哈斯勒合金热电材料的化学式为nb1-x-ya-yb-yctaxtiyazrybhfycbx或者zr0.94-x-za-zbtaxtizahfzbbx；其中，

4、b是fe、co、ni、ru、rh、pd、ir和pt中一种；

5、x是sn、sb和bi中一种；

6、0＜x≤0.25；

7、ya、yb、yc、za、zb中至少一者的取值范围是0～0.06。

8、可选地，所述半哈斯勒合金热电材料的化学式为nb1-x-ya-yb-yctaxtiyazrybhfycbx，其中ya＝yb＝yc＝0.06。

9、可选地，所述x的取值为0.05,0.1,0.15,0.2,0.25中一者。

10、另一方面，本发明还提供了一种用于制备上述任一项所述的半哈斯勒合金热电材料的方法，包括：

11、依照所述半哈斯勒合金热电材料的化学计量比量取各元素的原料；

12、将量取的各所述元素的原料在保护性气氛中进行悬浮熔炼，以合成出热电材料铸锭；

13、粉碎所述热电材料铸锭，以得到热电材料粉末；

14、对所述热电材料粉末进行放电等离子烧结后，进行退火处理，以得到热电材料成品。

15、再一方面，本发明还提供了一种用于制备上述半哈斯勒合金热电材料的方法，包括：

16、依照所述半哈斯勒合金热电材料的化学计量比量取各元素的原料；其中各所述元素的原料的规格要求包括：

17、nb元素呈块状，纯度大于或等于99.99％；

18、ta元素呈箔状，纯度大于或等于99.99％；

19、ti元素呈丝状，纯度大于或等于99.99％；

20、zr元素呈颗粒状，纯度大于或等于99.9％；

21、hf元素呈棒状，纯度大于或等于99.9％；

22、fe元素呈棒状，纯度大于或等于99.95％；

23、sb元素呈块状，纯度大于或等于99.9％；

24、将量取的各所述元素的原料在保护性气氛中进行悬浮熔炼，以合成出热电材料铸锭；

25、粉碎所述热电材料铸锭，以得到热电材料粉末；

26、对所述热电材料粉末进行放电等离子烧结后，进行退火处理，以得到热电材料成品。

27、可选地，量取各所述元素的原料的步骤包括：

28、根据所述半哈斯勒合金热电材料中各所述元素的化学计量比，确定出满足设定总质量和设定规格的各所述元素的原料的初始量取量；

29、对所述各所述元素的原料的初始量取量分别增加2.0wt％～4.0wt％，以得到所述各所述元素的原料的目标量取量；

30、依据所述目标量取量，量取各所述元素的原料。

31、可选地，对各所述元素的原料进行悬浮熔炼的步骤包括：

32、将各所述元素的原料依次放入熔炼容器中，并在ar气氛下进行悬浮熔炼，以得到铸锭半成品；

33、翻转所述铸锭半成品，并至少重复地对所述铸锭半成品进行五次悬浮熔炼，直至得到所述热电材料铸锭。

34、可选地，对所述热电材料粉末进行放电等离子烧结的步骤包括：

35、将所述热电材料粉末装入烧结容器中，通过火花等离子体在设定烧结温度和设定烧结压力下烧结设定烧结时间；

36、其中，所述烧结容器包括圆柱形石墨模具，所述设定烧结温度为850℃-950℃，所述设定烧结压力为大于或等于65mpa，所述设定烧结时间为大于或等于10min。

37、可选地，退火处理的步骤包括：

38、获得所述热电材料粉末烧结后得到的圆盘状烧结体；

39、将所述圆盘状烧结体装入真空密封的退火容器，并在管式炉中按照设定退火温度和设定退火时间，对所述圆盘状烧结体进行退火处理；其中所述设定退火温度为800℃-850℃，所述设定退火时间为大于或等于三天。

40、可选地，量取各所述元素的原料的步骤包括：

41、在所述x的取值范围内选取出至少两种不同的值，以得到至少两组化学计量比；

42、分别根据至少两组所述化学计量比，量取各所述元素的原料，以得到至少两组原料；其中所有组所述原料的总质量相等。

43、本发明的镧系收缩效应优化半哈斯勒合金热电材料中，由于nb1-x-ya-yb-yctaxtiyazrybhfycbx和zr0.94-x-za-zbtaxtizahfzbbx材料中分别增加了ta，一方面，大量高熔点的ta原子取代nb位或zr位大大增强了质量场波动，增强的点缺陷有效散射声子，可使室温热导率得到显著降低。另一方面，基于镧系收缩效应，实现了对电荷载流子传输的微弱影响，电荷输运基本不受杂质原子的影响，合金材料依旧可以获得优异的迁移率和电学性能。因此，本发明的nb1-x-ya-yb-yctaxtiyazrybhfycbx和zr0.94-x-za-zbtaxtizahfzbbx合金半哈斯勒合金热电材料的热电性能得到了显著提升。从而解决了现有技术中异价掺杂无法进一步优化nbfesb基合金热电性能的问题。

44、进一步地，本发明镧系收缩效应优化半哈斯勒合金热电材料的制备方法中，半哈斯勒合金热电材料通过悬浮熔炼和放电等离子烧结等制备工艺进行合成。其中悬浮熔炼技术可实现合金成分的快速均匀化，而放电等离子烧结则通过电场活化作用在较低温度下实现材料的快速致密化。上述制备方法具有操作流程简化、制备周期短以及晶粒生长可控等显著优势，有利于获得高致密度、低热导率的优质热电材料。

45、根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。