高純納米粉體Mg_2-xSiTM_x熱電材料的制備方法

專(zhuān)利名稱(chēng)：高純納米粉體Mg_2-xSiTM_x熱電材料的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明高純納米粉體Mg2_xSiTMx熱電材料的制備方法，屬于熱電材料制備領(lǐng)域，具體而言是一種用微波反應(yīng)法制備高純納米粉體Mg2_xSiTMx熱電材料的方法的技術(shù)方案。
背景技術(shù)：
相對(duì)于Bi2Te3、PbTe和SiGe合金體系的熱電材料，Mg2Si半導(dǎo)體性能指標(biāo)高達(dá)14， 廉價(jià)環(huán)保，原材料儲(chǔ)量豐富，具有低密度、高熔點(diǎn)、高比強(qiáng)度和良好的熱物理性能，被譽(yù)為最有發(fā)展前景的一類(lèi)中溫?zé)犭姴牧?。目前Mg2Si熱電材料傳統(tǒng)的制備方法為利用單質(zhì)的Mg粉和Si粉直接冶煉化合而成，制備技術(shù)主要包括機(jī)械合金化(MA)、熱壓(HP)、放電等離子燒結(jié)(SPS)等。這些技術(shù)存在的主要問(wèn)題是制備工藝復(fù)雜、反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、Mg粉氧化損失嚴(yán)重、 產(chǎn)物純度和均勻度低，嚴(yán)重降低了 Mg2Si熱電材料的ZT值。純Mg2Si晶格熱導(dǎo)率較高，熱電性能差，必須通過(guò)摻雜和低維化提高熱電性能。過(guò)渡金屬摻雜的高純納米Mg2Si具有較高的熱電性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明高純納米粉體Mg2_xSiTMx熱電材料的制備方法，目的在于針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，從而提供一種高效的微波反應(yīng)法制備高純納米Mg2_xSiTMx熱電材料的方法。本發(fā)明高純納米粉體Mg2_xSiTMx熱電材料的制備方法，其特征在于該方法是一種用微波反應(yīng)法制備高純納米粉體Mg2_xSiTMx熱電材料的方法，該方法是由MgH2粉、Si粉和過(guò)渡金屬氫化物TMHy粉在微波爐中反應(yīng)，反應(yīng)全過(guò)程在流動(dòng)Ar氣保護(hù)下，MgH2和TMHy分解溫度均小于350°C，在反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物易于分解并均勻分布于基體中，其強(qiáng)還原性有助于抑制基體表面吸附氧和氧化產(chǎn)物的進(jìn)一步形成，得到純度為> 99. 95%的高純納米 Mg2_xSiTMx 粉末，反應(yīng)方程式為(2-x)MgH2+Si+xTMHy = Mg2_xSiTMx+(2_x+xy/2) H2，式中，x = O. 0025-0. 01，TMHy 為YH2_3，LaH2_3，CeH2_3，具體步驟為將 MgH2 粉、Si 粉和 TMHy 粉在手套箱中按Mg2_xSiTMx的化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)量，其中x = 0. 0025-0. 01，在球磨機(jī)中混和均勻，然后將反應(yīng)粉體5裝入三口石英燒瓶4中，將瓶口密封，將密封好的三口石英燒瓶4置于微波爐I 中，兩端分別與氬氣瓶7和插入礦物油8中的排氣管連接；先打開(kāi)氬氣進(jìn)氣閥2，后打開(kāi)另一端排氣閥3，使插入礦物7中的排氣管有持續(xù)氣泡冒出，并防止空氣倒流入管內(nèi)；啟動(dòng)微波電源，反應(yīng)粉體5在功率為O. I-IkW微波作用下進(jìn)行反應(yīng)3-10min，然后關(guān)閉電源，使反應(yīng)生成的Mg2_xSiTMx粉末隨爐冷卻。上述高純納米粉體Mg2_xSiTMx熱電材料的制備方法,其特征在于所述的MgH2粉粒度小于45 μ m, Si粉粒度小于20nm，摻雜物質(zhì)為分解溫度小于350°C，還原性強(qiáng)的過(guò)渡金屬氫化物TMHy，粒度小于45 μ m，反應(yīng)配方摩爾比為(2_x)mol MgH2 Imol Si x mo I TMHy, 其中X = O. 0025 O. 01，TMHy為YH2_3，LaH2_3，CeH2_3，配好的混合粉體在微波電磁場(chǎng)的作用下，反應(yīng)極性物質(zhì)分子由原來(lái)的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦S微波電磁場(chǎng)的交變不斷重新排列取向，分子間產(chǎn)生激烈摩擦，微波的電磁能轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的熱能，從而強(qiáng)化了反應(yīng)進(jìn)行，形成純度彡99. 95%高純納米粉體Mg2_xSiTMx熱電材料。本發(fā)明高純納米粉體Mg2_xSiTMx熱電材料的制備方法，其優(yōu)點(diǎn)在于MgH2粉、Si粉和TMHy粉的混合粉體在微波場(chǎng)的作用下，微波電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)作用相結(jié)合，通過(guò)微波與物質(zhì)分子的相互作用增加了粉體顆粒表面能和內(nèi)能，提高了反應(yīng)焓和反應(yīng)速率，從而提高了反應(yīng)速度和反應(yīng)效果，使產(chǎn)物具有純度高且具有納米結(jié)構(gòu)等特征。MgH2不易與氧反應(yīng)，在配粉以及裝入三口石英燒瓶過(guò)程中有效避免了氧的侵入， 在加熱反應(yīng)階段，燒瓶?jī)?nèi)通入Ar氣保護(hù)，反應(yīng)副產(chǎn)物H2也有助于防止產(chǎn)物氧化，從而保證了產(chǎn)物的高純度。TMHy-穩(wěn)定差，還原性強(qiáng)，有助于進(jìn)一步減少產(chǎn)物中氧化物含量，提高產(chǎn)物純度。反應(yīng)速度快，反應(yīng)產(chǎn)物Mg2_xSiTMx粉末的顆粒度在30nm以下，純度彡99. 95%，且產(chǎn)物的成分分布均勻。


圖I是高純納米粉體Mg2_xSiTMx熱電材料的微波反應(yīng)裝置，圖中I微波爐，2進(jìn)氣閥，3出氣閥，4三口石英燒瓶，5反應(yīng)粉體， 6石英旋轉(zhuǎn)臺(tái)，7氬氣瓶，8礦物油，9微波發(fā)生器圖2是高純納米粉體Mg2_xSiTMx熱電材料的TEM照片。
具體實(shí)施例方式實(shí)施方式I將MgH2粉(平均粒度36 μ m,純度99. 8 % )、納米Si粉(平均粒度20nm，純度 99. 90 % )和 YH2_3 粉(平均粒度 35 μ m，純度 99. 8 % )以 I. 9975mol MgH2, Imol Si 和 O. 0025mol YH2比例混合后形成反應(yīng)粉體5，然后將反應(yīng)粉體5裝入三口石英燒瓶4中，將瓶口密封。將密封好的三口石英燒瓶4置于微波爐I中，兩端分別與氬氣瓶7和插入礦物油 8中的排氣管連接；先打開(kāi)氬氣進(jìn)氣閥2，后打開(kāi)另一端排氣閥3，使插入礦物7中的排氣管有持續(xù)氣泡冒出，并防止空氣倒流入管內(nèi)；啟動(dòng)微波電源，反應(yīng)粉體5在功率為O. 5kW微波作用下進(jìn)行反應(yīng)5min，然后關(guān)閉電源，使反應(yīng)生成的Mg2_xSiTMx粉末隨爐冷卻。待爐溫冷卻到室溫，取出粉末，產(chǎn)物平均顆粒度約35nm，純度為99. 95%。實(shí)施方式2將MgH2粉(平均粒度36 μ m,純度99. 8 % )、納米Si粉(平均粒度20nm，純度 99. 90%)和 YH2_3粉(平均粒度 35 μ m，純度99. 8%)以 I. 995mol MgH2, Imol Si 和0.005mol YH2比例混合后形成反應(yīng)粉體5，然后將反應(yīng)粉體5裝入三口石英燒瓶4中，將瓶口密封。將密封好的三口石英燒瓶4置于微波爐I中，兩端分別與氬氣瓶7和插入礦物油8中的排氣管連接；先打開(kāi)氬氣進(jìn)氣閥2，后打開(kāi)另一端排氣閥3，使插入礦物7中的排氣管有持續(xù)氣泡冒出，并防止空氣倒流入管內(nèi)；啟動(dòng)微波電源，反應(yīng)粉體5在功率為IkW微波作用下進(jìn)行反應(yīng)3min，然后關(guān)閉電源，使反應(yīng)生成的Mg2_xSiTMx粉末隨爐冷卻。待爐溫冷卻到室溫，取出粉末，產(chǎn)物平均顆粒尺寸約34nm，純度為99. 97%。實(shí)施方式3將(平均粒度36 μ m,純度99. 8% )、納米Si粉(平均粒度20nm，純度99. 90% ) 和 YH2-S 粉(平均粒度 35 μ m,純度 99. 8% )以 I. 99mol MgH2, Imol Si 和 O. Olmol YH2 比例混合后形成反應(yīng)粉體5，然后將反應(yīng)粉體5裝入三口石英燒瓶4中，將瓶口密封。將密封好的三口石英燒瓶4置于微波爐I中，兩端分別與氬氣瓶7和插入礦物油8中的排氣管連接； 先打開(kāi)氬氣進(jìn)氣閥2，后打開(kāi)另一端排氣閥3，使插入礦物7中的排氣管有持續(xù)氣泡冒出，并防止空氣倒流入管內(nèi)；啟動(dòng)微波電源，反應(yīng)粉體5在功率為IkW微波作用下進(jìn)行反應(yīng)3min， 然后關(guān)閉電源，使反應(yīng)生成的Mg2_xSiTMx粉末隨爐冷卻。待爐溫冷卻到室溫，取出粉末，產(chǎn)物平均顆粒尺寸約32nm，純度為99. 98%。
權(quán)利要求
1.一種高純納米粉體MghSiTMx熱電材料的制備方法，其特征在于該方法是一種用微波反應(yīng)法制備高純納米粉體Mg2_xSiTMx熱電材料的方法，該方法是由MgH2粉、Si粉和過(guò)渡金屬氫化物TMHy粉在微波爐中反應(yīng)，反應(yīng)全過(guò)程在流動(dòng)Ar氣保護(hù)下，MgH2和TMHy分解溫度均小于350°C，在反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物易于分解并均勻分布于基體中，其強(qiáng)還原性有助于抑制基體表面吸附氧和氧化產(chǎn)物的進(jìn)一步形成，得到純度為> 99. 95%的高純納米 Mg2_xSiTMx 粉末，反應(yīng)方程式為(2-x)MgH2+Si+xTMHy = Mg2_xSiTMx+(2_x+xy/2) H2，式中，x = O. 0025-0. 01，TMHy 為YH2_3，LaH2_3，CeH2_3，具體步驟為將 MgH2 粉、Si 粉和 TMHy 粉在手套箱中按Mg2_xSiTMx的化學(xué)計(jì)量比稱(chēng)量，其中x = 0. 0025-0. 01，在球磨機(jī)中混和均勻，然后將反應(yīng)粉體(5)裝入三口石英燒瓶(4)中，將瓶口密封，將密封好的三口石英燒瓶(4)置于微波爐(I)中，兩端分別與氬氣瓶(X)和插入礦物油(8)中的排氣管連接；先打開(kāi)氬氣進(jìn)氣閥(2)，后打開(kāi)另一端排氣閥(3)，使插入礦物(7)中的排氣管有持續(xù)氣泡冒出，并防止空氣倒流入管內(nèi)；啟動(dòng)微波電源，反應(yīng)粉體(5)在功率為O. I-IkW微波作用下進(jìn)行反應(yīng)3-10min， 然后關(guān)閉電源，使反應(yīng)生成的Mg2_xSiTMx粉末隨爐冷卻。
2.按照權(quán)利要求I所述的高純納米粉體Mg2_xSiTMx熱電材料的制備方法，其特征在于所述的MgH2粉粒度小于45 μ m, Si粉粒度小于20nm，摻雜物質(zhì)為分解溫度小于350°C，還原性強(qiáng)的過(guò)渡金屬氫化物TMHy，粒度小于45 μ m，反應(yīng)配方摩爾比為2-x mo I MgH2 Imol Si X mo I TMHy，其中 x = O. 0025 O. 01，TMHy 為 YH2_3，LaH2_3，CeH2_3，配好的混合粉體在微波電磁場(chǎng)的作用下，反應(yīng)極性物質(zhì)分子由原來(lái)的熱運(yùn)動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楦S微波電磁場(chǎng)的交變不斷重新排列取向，分子間產(chǎn)生激烈摩擦，微波的電磁能轉(zhuǎn)化為物質(zhì)的熱能，從而強(qiáng)化了反應(yīng)進(jìn)行，形成純度彡99. 95%高純納米粉體Mg2_xSiTMx熱電材料。
全文摘要
一種高純納米粉體Mg2-xSiTMx熱電材料的制備方法，屬于熱電材料制備領(lǐng)域，具體而言是一種用微波反應(yīng)法制備高純納米粉體Mg2-xSiTMx熱電材料的方法的技術(shù)方案。其特征在于是由MgH2粉、Si粉和過(guò)渡金屬氫化物TMHy粉在微波爐中反應(yīng)，反應(yīng)全過(guò)程在流動(dòng)Ar氣保護(hù)下，MgH2和TMHy分解溫度均小于350℃，在反應(yīng)過(guò)程中反應(yīng)物易于分解并均勻分布于基體中，其強(qiáng)還原性有助于抑制基體表面吸附氧和氧化產(chǎn)物的進(jìn)一步形成，得到純度為≥99.95％的高純納米Mg2-xSiTMx粉末。本方法的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單且高效節(jié)能，制備出的Mg1-xSiTMx熱電材料具有較好的熱電性能。
文檔編號(hào)C01B33/06GK102583391SQ20121002625
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月19日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月19日
發(fā)明者孫政, 孟慶森, 易堂紅, 李育德, 樊文浩, 陳少平 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)