專利名稱：一種碲化鉍納米晶塊體材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碲化鉍納米晶 塊體材料及其制備方法。
背景技術(shù)：
碲化鉍熱電材料是室溫下性能最好的熱電材料，也是研究最早最 成熟的熱電材料之一，目前大多數(shù)制冷元件都采用這類熱電材料。但 其最大無量綱熱電優(yōu)值仍徘徊在1左右，如能進一步優(yōu)化碲化鉍基熱 電材料電性能必將擴大其應(yīng)用的范圍和領(lǐng)域。經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)， 通過合金化修飾其能帶結(jié)構(gòu)以及通過納米化改變其輸運特性是進一 步提高碲化鉍基熱電材料性能的兩個可能途徑，尤其是將納米技術(shù)應(yīng) 用到此種材料中，可使其熱電性能得到成倍的提高。
目前，納米碲化鉍熱電材料的研究主要集中在二維薄膜、 一維納 米線以及納米粉末方面。常用的制備方法有機械合金化、水熱法、金 屬有機物化學(xué)蒸發(fā)-冷凝、溶劑熱法以及電化學(xué)原子層外延等。盡管 納米線、薄膜和超晶格的熱電優(yōu)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通塊體材料，但目前還 很難將其做成實際應(yīng)用的器件。如果能使具有納米晶粒結(jié)構(gòu)的同組分 塊體材料也具有相當(dāng)甚至更高的熱電優(yōu)值將會使碲化鉍熱電材料的 應(yīng)用領(lǐng)域得到進一步擴大。
傳統(tǒng)的納米晶塊體材料制備方法如電化學(xué)沉積法、嚴(yán)重塑性變形
法、非晶法、機械合金化法等很難制備出在100nm以下較大尺度范圍內(nèi)晶粒尺度可控的納米晶塊體材料。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)的問題，而提供一種高純碲、鉍 納米粉末以及高致密碲化鉍納米晶塊體材料及其制備方法。
本發(fā)明所提供的一種碲化鉍納米晶塊體材料的化學(xué)成分為Bi2Te3: 塊體材料的晶粒粒徑為30 ~ 100nm。
本發(fā)明所提供的 一種碲化鉍納米晶塊體材料的制備方法，具體包 括以下步驟
1) 采用直流電弧蒸發(fā)冷凝設(shè)備，以Te的單質(zhì)塊為陽極，金屬鴒 為陰極，在氬氣氣壓為0. 05 ~ 0. lMPa的氣氛中，反應(yīng)電流40~ IOOA， 陽才及與陰才及間電壓為30 - 50V,反應(yīng)時間為20~40min，制備Te納米
粉末；
2) 采用直流電弧蒸發(fā)冷凝設(shè)備，以Bi的單質(zhì)塊為陽極，金屬鎢 為陰極，在氬氣氣壓為0.05-0. lMPa的氣氛中，反應(yīng)電流40 80A, 陽極與陰極間電壓為30~50V，反應(yīng)時間為20 40min，制備Bi納米 粉末；
3 )將Te納米粉末和Bi納米粉末于氧含量為0. 05 ~ 0. lppm的氬 氣氣氛中，按摩爾比3:2，研磨混合后裝入石墨模具中；
4)將模具置于放電等離子燒結(jié)設(shè)備的燒結(jié)腔體中，施加30~ 50MPa的軸向壓力，在氬氣氣氛或5~8Pa的真空條件下燒結(jié)，以50 ~ 80°C/min的升溫速率升溫，燒結(jié)溫度為370 ~ 420°C,保溫5 ~ 15min， 隨爐冷卻至室溫，得到碲化鉍塊體材料。在本發(fā)明所提供的制備方法中得到的Te納米粉末的粒徑為10 ~ 50nm;得到的Bi納米4分末的粒徑為10 ~ 50nm。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有以下有益效果
本發(fā)明方法燒結(jié)溫度低、壓力小，工藝簡單，所制備的碲化鉍 (Bi2Te3)納米晶塊體材料致密度高，相對密度可達99. 5 % ，三點抗 彎強度達85Mpa，經(jīng)X射線衍射、X射線熒光光語等檢測為單一碲化 鉍(Bi2Te3)物相，化學(xué)純度達到99.9%。采用日本理工ZEM-2和 TC-7000測試了碲化鉍、塊體試樣的電熱輸運特性，在室溫下的無量綱 熱電優(yōu)值達1. 23。
圖1、實施例1制備的納米Te粉末的TEM照片。 圖2、實施例1制備的納米Bi粉末的TEM照片。 圖3、實施例1制備的碲化鉍燒結(jié)樣品的X射線譜圖。 圖4、實施例1制備的碲化鉍燒結(jié)樣品的TEM照片。 以下結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步說明。
具體實施例方式
在下面實施例中使用的原料為市售的高純石帝(99. 999wt%)和市 售的高純Bi ( 99. 999wt%)。 實施例1
1)采用直流電弧蒸發(fā)冷凝設(shè)備，以Te的單質(zhì)塊為陽極，金屬鴿 為陰極，在氬氣氣壓為0. IMPa的氣氛中，反應(yīng)電流40A,陽極與陰 極間電壓為50V,反應(yīng)時間為20min，得到10 40nm的Te納米4分末；2 )采用直流電弧蒸發(fā)冷凝設(shè)備，以Bi的單質(zhì)塊為陽極，金屬鎢 為陰極，在氬氣氣壓為0. lMPa的氣氛中，反應(yīng)電流40A,陽極與陰. 極間電壓為50V,反應(yīng)時間為20min，得到10~ 30nm的Bi納米4分末；
3 )將Te納米粉末和Bi納米粉末于氧含量為0. 05ppm的氬氣氣 氛中，按摩爾比3: 2，研磨混合后裝入直徑為20mm的石墨模具中；
4 )將模具置于SPS燒結(jié)腔體中，施加30MPa的軸向壓力，在5Pa 的真空條件下燒結(jié)，以5(TC/min的升溫速率升溫，燒結(jié)溫度為370°C， 保溫15min，隨爐冷卻至室溫，得到碲化鉍(Bi2Te3)塊體。
碲化鉍塊體的X射線譜圖如圖1所示，/人圖中可知，樣品為Bi2Te3 純相，衍射峰強度高，結(jié)晶良好。經(jīng)X射線熒光光譜測試表明，該燒 結(jié)塊體樣品的化學(xué)純度達到99.9%。經(jīng)TEM分析表明，碲化鉍塊體 試樣的晶粒粒徑為30-80nm。測得樣品的相對密度為98.8%,三點抗 彎強度達87MPa。測試了碲化鉍的電熱輸運特性，在室溫下的無量綱 熱電優(yōu)值達1. 25。
實施例2
1) 采用直流電弧蒸發(fā)冷凝設(shè)備，以Te的單質(zhì)塊為陽極，金屬鴒 為陰極，在氬氣氣壓為0. 05MPa的氣氛中，反應(yīng)電流60A,陽極與陰 極間電壓為30V,反應(yīng)時間為30min，得到10~40nm的Te納米4分末；
2) 采用直流電弧蒸發(fā)冷凝設(shè)備，以Bi的單質(zhì)塊為陽極，金屬鴒 為陰極，在氬氣氣壓為0. 05MPa的氣氛中，反應(yīng)電流60A，陽極與陰 極間電壓為30V，反應(yīng)時間為30min，得到10~40nm的Bi納米并分末；
3 )將Te納米粉末和Bi納米粉末于氧含量為0. 05卯m的氬氣氣氛中，按摩爾比3: 2,研磨混合后裝入直徑為20mm的石墨模具中； 4 )將才莫具置于SPS燒結(jié)腔體中，施加4畫Pa的軸向壓力，在8Pa 的真空條件下燒結(jié)，以6(TC/min的升溫速率升溫，燒結(jié)溫度為40(TC, 保溫10min，隨爐冷卻至室溫，得到碲化敘、(Bi2Te3)塊體。
經(jīng)X射線測試分析可知，樣品為Bi2Te3純相，衍射峰強度高，結(jié) 晶良好。經(jīng)X射線熒光光譜測試表明，該Bi2Te3燒結(jié)塊體樣品的化學(xué) 純度達到99.8%。經(jīng)TEM分析表明，碲化鉍塊體試樣的晶粒粒徑為 40-80nm。測得樣品的相對密度為99.0%,三點抗彎強度達86MPa。 室溫下無量綱熱電優(yōu)值達1. 22。 實施例3
1) 采用直流電弧蒸發(fā)冷凝設(shè)備，以Te的單質(zhì)塊為陽極，金屬鵠 為陰極，在氬氣氣壓為0. 05MPa的氣氛中，反應(yīng)電流IOOA，陽極與 陰極間電壓為40V,反應(yīng)時間為40min，得到20 - 50nm的Te納米粉 末；
2) 采用直流電弧蒸發(fā)冷凝設(shè)備，以Bi的單質(zhì)塊為陽極，金屬鴒 為陰極，在氬氣氣壓為0. 05MPa的氣氛中，反應(yīng)電流80A，陽極與陰 極間電壓為40V,反應(yīng)時間為40min，制備20 ~ 50nm的Bi納米粉末；
3 )將Te納米粉末和Bi納米粉末于氧含量為0. lppm的氬氣氣氛 中，按摩爾比3 : 2,研磨混合后裝入直徑為20mm的石墨模具中；
4 )將模具置于SPS燒結(jié)腔體中，施加50MPa的軸向壓力，在氬 氣氣氛中燒結(jié)，以80°C/min的斤溫速率升溫，燒結(jié)溫度為420°C， 保溫5min，隨爐冷卻至室溫，得到碲化鉍、(Bi2Te3)塊體。經(jīng)X射線測試分析可知，樣品為Bi2Te3純相，衍射峰強度高，結(jié) 晶良好。經(jīng)X射線熒光光譜測試表明，該Bi/Te3燒結(jié)塊體樣品的化學(xué) 純度達到99.8%。經(jīng)TEM分析表明，碲化4必塊體試樣的晶粒粒徑為 50-100nm。測得樣品的相對密度為99. 5 % ，三點抗彎強度達85MPa。 室溫下無量綱熱電優(yōu)值達1. 24。
權(quán)利要求
1、一種碲化鉍納米晶塊體材料，其特征在于，所述的塊體材料的化學(xué)成分為Bi2Te3，塊體材料的晶粒粒徑為30～100nm。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種碲化鉍納米晶塊體材料的制備方法， 其特征在于包括以下步驟1) 采用直流電弧蒸發(fā)冷凝設(shè)備，以Te的單質(zhì)塊為陽極，金屬鎢 為陰極，在氬氣氣壓為0. 05~0. lMPa的氣氛中，反應(yīng)電流40 100A， 陽極與陰極間電壓為30~50V，反應(yīng)時間為20 40min,制備Te納米 粉末；2) 采用直流電弧蒸發(fā)冷凝設(shè)備，以Bi的單質(zhì)塊為陽極，金屬鎢 為陰極，在氬氣氣壓為0.05-0. lMPa的氣氛中，反應(yīng)電流40 80A， 陽極與陰極間電壓為30 - 50V,反應(yīng)時間為20 40min，制備Bi納米粉末； .3 )將Te納米粉末和Bi納米粉末于氧含量為0. 05 ~ 0. lppm的氬 氣氣氛中，按摩爾比3:2，研磨混合后裝入石墨模具中；4)將模具置于放電等離子燒結(jié)設(shè)備的燒結(jié)腔體中，施加30~ 50MPa的軸向壓力，在氬氣氣氛或5~8Pa真空條件下燒結(jié)，以50~ 80。C/min的升溫速率升溫，燒結(jié)溫度為370 ~ 420°C，保溫5~15min， 隨爐冷卻至室溫，得到碲化鉍塊體材料。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碲化鉍納米晶塊體材料的制備方法， 其特征在于，所述的Te納米粉末的粒徑為10 ~ 50nm。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種碲化鉍納米晶塊體材料的制備方法， 其特征在于，所述的Bi納米粉末的粒徑為10 ~ 50nm。
全文摘要
一種碲化鉍納米晶塊體材料及其制備方法屬于納米材料制備領(lǐng)域。本發(fā)明的材料的特征在于，其化學(xué)組成為Bi<sub>2</sub>Te<sub>3</sub>，塊體材料的晶粒粒徑為30-100nm。本發(fā)明提供的制備方法特征在于，它包括以下步驟分別以碲和鉍的單質(zhì)塊為陽極，以金屬鎢為陰極，在氬氣壓力為0.05～0.1MPa的氣氛中，采用直流電弧蒸發(fā)冷凝的方法制備出粒徑為10～50nm的碲和鉍的納米粉末。將碲和鉍的納米粉末于氬氣氣氛中，按摩爾比3∶2，研磨混合后裝入石墨模具中，將模具置于SPS燒結(jié)腔體中，施加30～50MPa的軸向壓力，在氬氣氣氛或真空度為5～8Pa的條件下燒結(jié)，隨爐冷卻至室溫得到碲化鉍納米晶塊體材料。本發(fā)明方法工藝簡單，且制備的碲化鉍塊體純度高、晶粒尺度可控。
文檔編號C01B19/00GK101597034SQ20091008891
公開日2009年12月9日 申請日期2009年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月13日
發(fā)明者忻 張, 馬旭頤 申請人:北京工業(yè)大學(xué)