CN107739034B - 一种制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法,通过预先球磨Si粉末,增加物料的比表面积,进而增强与Mg的反应活性,可降低熔融合金化过程的温度和减少保温时间;最后将所得的Mg2Si等合金粉末在高压条件下烧结制备成颗粒细小的Mg2Si基块状材料。本发明可以克服Mg、Si两种元素的熔点相差悬殊的制备难点,使熔融合金化过程的温度和保温时间得到降低和减少,达到简化工艺和节能的效果,同时细化块体材料的颗粒尺寸,提高其热电性能。
Description
技术领域
本发明涉及化合物合成技术领域,尤其涉及一种制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法。
背景技术
Mg2Si基半导体是重要的中温热电材料,具有原料丰富、价格低、无毒和比重低等优点;其载流子有效质量和迁移率均较高,有望获得优异的电性能,近年来倍受关注。
传统的硅化镁的合成方法是将硅粉与镁粉按比例混合,放入间歇式固定床中,在氩气、氢气气氛或真空下加热到500~650℃左右,使其发生反应合成硅化镁,在生产硅化镁的同时产生大量的热量。
Mg2Si基化合物的制备中存在一系列的困难,主要包括:①制备过程中由于Mg、Si的熔点差异很大,及高温下Mg的蒸气压、化学活性很高,Mg很容易挥发逸散,且容易与02反应生成MgO,影响热电性能,使材料的重现性很差;②成型过程中,Mg2Si如同其他金属间化合物一样,具有严重的晶间碎裂倾向,很难成型。所以一种好的制备方法对Mg2Si基热电材料的制备非常重要。针对以上制备容易出现的问题,需开发选择出相对比较好的Mg2Si制备方法。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题,本发明提出了一种制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法。
本发明的技术方案如下:
一种制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法,包括以下步骤:
步骤一,Si粉末的预球磨:称取一定量的Si粉末,装入不锈钢球磨罐中,在高能球磨机上球磨;
步骤二,原料称量及混合:将配好的原料装进球磨罐混磨8~15min,再将均匀混合后的粉末装入坩埚中,然后放入准密封熔炼坩埚中;
步骤三,两步固相法来合成Mg2Si基化合物:首先对管式炉进行抽真空后,填入高浓度的Ar气,当气体稳定后,管式炉逐渐升温至合金化温度,保温16~24h后,随炉冷却,取出样品;
步骤四,热压成型:将合金化粉末混合均匀后,装入石墨模具中进行高温热压。
优选的,所述的步骤一中,在高能球磨机上以1300-1500r/min的速度球磨10~60min。
优选的,所述的步骤二中,将预球磨好的细小Si粉和Mg以及掺杂元素等的粉末按化学式Mg2-xAxSi1-yBy(A为Ag、Li、Cu中的任意一种,B为Sn、Ge中的任意一种,0≤x≤0.5,0≤y≤0.7)配比称重。
进一步优选的,由于Mg粉在高温容易气化,所以在称量原料时样品的Mg元素要比理论要求的质量多5%。
优选的,所述的步骤二中,整个过程都要求在充满高纯度的Ar气,水含量和氧含量都要求浓度低于0.1ppm的手套箱中完成。
优选的,所述的步骤三中,管式炉的升温速度为:室温~400℃,速率为5K/min;400~700℃,速率为10K/min。
优选的,所述的的步骤三中,合金化的温度为500~700℃。
优选的,所述的步骤四的热压成型是将合金化粉末在研钵中研磨混合均匀后,装入石墨模具中进行高温热压,在650~750℃,60~75MPa下保压5~10min。
本发明的有益之处在于:本发明提供了一种制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法,通过预先球磨Si粉末,增加物料的比表面积,进而增强与Mg的反应活性,可降低熔融合金化过程的温度和减少保温时间;最后将所得的Mg2Si等合金粉末在高压条件下烧结制备成颗粒细小的Mg2Si块状材料。本发明可以克服Mg、Si两种元素的熔点相差悬殊的制备难点,使熔融合金化过程的温度和保温时间得到降低和减少,达到简化工艺和节能的效果,同时细化块体材料的颗粒尺寸,提高其热电性能。
附图说明
图1为:本发明实施例1中制备的Mg2Si及未球磨Si粉末时按常规方法制备的Mg2Si的X射线衍射图谱;
图2为:按本发明实施例1中的制备工艺(只是Si粉末球磨时间不同)制备的三个Mg2Si样品的ZT图;
图3为:(a)未球磨Si粉末时按常规方法制备的Mg2Si样品及(b)本发明实施例3中制备的Mg1.99Li0.01Si0.3Sn0.7的电镜图。
具体实施方式
实施例1:
一种制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法,包括以下步骤:
步骤一,Si粉末的预球磨:称取一定量的Si粉末,装入不锈钢球磨罐中,在高能球磨机上以1400r/min的速度球磨0.5h;
步骤二,原料称量及混合:将预球磨好的细小Si粉和Mg以及掺杂元素等的粉末按化学式Mg2Si配比称重,由于Mg粉在高温容易气化,所以在称量原料时样品的Mg元素要比理论要求的质量多5%;将配好的原料装进球磨罐混磨10min,再将均匀混合后的粉末装入坩埚中,然后放入准密封熔炼坩埚中;整个过程都要求在充满高纯度的Ar气,水含量和氧含量都要求浓度低于0.1ppm的手套箱中完成;
步骤三,两步固相法来合成Mg2Si基化合物:首先对管式炉进行抽真空后,填入高浓度的Ar气,当气体稳定后,设置管式炉的温度和时间;管式炉的升温速度为,室温~550℃,速率为5K/min;550~650℃,速率为10K/min;合金化的温度为650℃,保温时间为18h,随炉冷却后,取出样品;
步骤四,热压成型:将合金化粉末在研钵中研磨混合均匀后,装入石墨模具中进行高温热压,在720℃,65MPa下保压8min。
如图1所示,本实施例1中,获得的粉末其成分为Mg2Si纯相,不存在其他杂质;而且其成分和XRD峰位与未球磨Si粉末时按常规方法制备的样品几乎一致,说明球磨Si粉末后,在较低的合金化温度和更短的合金化时间条件下,也能制备出Mg2Si纯相。从图2的ZT曲线看,按实施例1中的合成工艺(只是Si粉末球磨时间不同)制备的三个Mg2Si样品,随着球磨时间从0min、15min到30min的延长,样品的ZT值不断增加,说明细化颗粒后,热电性能得到了改善。
实施例2:
一种制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法,包括以下步骤:
步骤一,Si粉末的预球磨:称取一定量的Si粉末,装入不锈钢球磨罐中,在高能球磨机上以1300r/min的速度球磨1h;
步骤二,原料称量及混合:将预球磨好的细小Si粉和Mg以及掺杂元素等的粉末按化学式Mg2-xAxSi1-yBy(其中A为Ag,B为Ge,x=0.05,y=0.4)配比称重,由于Mg粉在高温容易气化,所以在称量原料时样品的Mg元素要比理论要求的质量多5%;将配好的原料装进球磨罐混磨8min,再将均匀混合后的粉末装入坩埚中,然后放入准密封熔炼坩埚中;整个过程都要求在充满高纯度的Ar气,水含量和氧含量都要求浓度低于0.1ppm的手套箱中完成;
步骤三,两步固相法来合成Mg2Si基化合物:首先对管式炉进行抽真空后,填入高浓度的Ar气,当气体稳定后,设置管式炉的温度和时间;管式炉的升温速度为,室温~400℃,速率为5K/min;400~700℃,速率为10K/min;合金化的温度为700℃,保温时间为16h,随炉冷却后,取出样品;
步骤四,热压成型:将合金化粉末在研钵中研磨混合均匀后,装入石墨模具中进行高温热压,在750℃,60MPa下保压10min。
实施例3:
一种制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法,包括以下步骤:
步骤一,Si粉末的预球磨:称取一定量的Si粉末,装入不锈钢球磨罐中,在高能球磨机上以1200r/min的速度球磨15min;
步骤二,原料称量及混合:将预球磨好的细小Si粉和Mg以及掺杂元素等的粉末按化学式Mg2-xAxSi1-yBy(其中A为Li,B为Sn,x=0.01,y=0.7)配比称重,由于Mg粉在高温容易气化,所以在称量原料时样品的Mg元素要比理论要求的质量多5%;将配好的原料装进球磨罐混磨15min,再将均匀混合后的粉末装入坩埚中,然后放入准密封熔炼坩埚中;整个过程都要求在充满高纯度的Ar气,水含量和氧含量都要求浓度低于0.1ppm的手套箱中完成;
步骤三,两步固相法来合成Mg2Si基化合物:首先对管式炉进行抽真空后,填入高浓度的Ar气,当气体稳定后,设置管式炉的温度和时间;管式炉的升温速度为,室温~400℃,速率为5K/min;400~500℃,速率为10K/min;合金化的温度为500℃,保温时间为24h,随炉冷却后,取出样品;
步骤四,热压成型:将合金化粉末在研钵中研磨混合均匀后,装入石墨模具中进行高温热压,在650℃,75MPa下保压5min。
从图3的SEM表面形貌看,未球磨的Mg2Si的颗粒多为粗大块体,大小差异较大,分布不均匀。而球磨Si粉末后的按本实施案例3工艺制备的Mg1.99Li0.01Si0.3Sn0.7样品的颗粒细,分布较均匀,大小差异不大。
以上所述,仅为本发明较佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一,Si粉末的预球磨:称取一定量的Si粉末,装入不锈钢球磨罐中,在高能球磨机上球磨;
步骤二,原料称量及混合:将配好的原料装进球磨罐混磨8~15min,再将均匀混合后的粉末装入坩埚中,然后放入准密封熔炼坩埚中;
步骤三,两步固相法来合成Mg2Si基化合物:首先对管式炉进行抽真空后,填入高浓度的Ar气,当气体稳定后,管式炉逐渐升温至合金化温度,保温16~24h后,随炉冷却,取出样品;
步骤四,热压成型:将合金化粉末混合均匀后,装入石墨模具中进行高温热压;
所述的步骤二中,将预球磨好的细小Si粉和Mg以及掺杂元素的粉末按化学式Mg2- xAxSi1-yBy配比称重;其中A为Ag、Li、Cu中的任意一种,B为Sn、Ge中的任意一种,0≤x≤0.5,0≤y≤0.7。
2.如权利要求1所述的制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法,其特征在于,所述的步骤一中,在高能球磨机上以1300-1500r/min的速度球磨10~60min。
3.如权利要求1所述的制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法,其特征在于,在称量原料时样品的Mg元素要比理论要求的质量多5%。
4.如权利要求1所述的制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法,其特征在于,所述的步骤三中,管式炉的升温速度为:室温~400℃,速率为5K/min;400~700℃,速率为10K/min。
5.如权利要求1所述的制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法,其特征在于,所述的步骤三中,合金化的温度为500~700℃。
6.如权利要求1所述的制备颗粒细小的硅化镁基块体热电材料的方法,其特征在于,所述的步骤四的热压成型是将合金化粉末在研钵中研磨混合均匀后,装入石墨模具中进行高温热压,在650~750℃,60~75MPa下保压5~10min。
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- 2017-10-11 CN CN201710943380.6A patent/CN107739034B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Synthesis and Spark Plasma Sintering of Mg2Si Nanopowder by Mechanical Alloying and Heat Treatment;Mohammad Khajelakzay et al.;《International Journal of Applied Ceramic Technology》;20161231;第13卷(第3期);摘要部分以及第499页左栏第13行-第500页左栏第4行,第502页左栏第6-11行 * |
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