TWI792310B

TWI792310B - 高效能熱電材料

Info

Publication number: TWI792310B
Application number: TW110117320A
Authority: TW
Inventors: 汪俊延
Original assignee: 國立中興大學
Priority date: 2021-05-13
Filing date: 2021-05-13
Publication date: 2023-02-11
Also published as: TW202245298A

Abstract

本發明係一種高效能熱電材料，包含有一鎂錫矽銻合金與一鎂鐵氧化物，該高效能熱電材料係由該鎂錫矽銻合金之粉末與該鎂鐵氧化物之粉末混合後燒結在一起，藉此，該高效能熱電材料具有較高的熱電優質，可有效提升熱電轉換之效率。

Description

高效能熱電材料

本發明係關於一種熱電材料，特別是指一種具備高效能的熱電材料。

隨著全球經濟快速發展、人口數量增加，人類對於化石燃料的需求與日俱增，且人類活動伴隨著大量的廢氣排放導致環境污染更是日益嚴重，根據文獻指出，近年來石化能源的使用率約達34%，有近66%的能源白白浪費，其中大部分係以廢熱的形式逸散至大氣中，又以汽機車與工業所產生之廢熱為主，因此若是能將廢熱有效的利用如轉換成電能，不僅能提高能源的使用效率，還能延緩能源的消耗，達到節能之效果。

而熱電材料係一種能將熱能與電能相互轉換之材料，其熱電優值越高，代表所具備的熱電轉換效率越佳，目前熱電材料依據不同最佳熱電優值的溫度範圍可分為低溫型(低於200℃)、中溫型(200℃~600℃)、以及高溫型(高於600℃)，就以中溫型熱電材料來說，鎂錫矽熱電材料的組成元素皆為地球富含原料，且價格便宜、無毒性，熱電優值可達1以上，為極具發展潛力之熱電材料，但是如何進一步增加鎂錫矽熱電材料的熱電優值，讓熱電轉換性更為提升，是所屬領域業者共同研究的目標。

有鑑於此，本發明目的之一在於提供一種高效能熱電材料，其具有較高的熱電優質，可有效提升熱電轉換之效率。

為達上述目的，本發明揭露一種高效能熱電材料，其包含有鎂錫矽銻合金與鎂鐵氧化物，該高效能熱電材料係由該鎂錫矽銻合金之粉末與該鎂鐵氧化物之粉末混合後燒結在一起。

藉此，該高效能熱電材料具有較高的熱電優質，可有效提升熱電轉換之效率。

以下藉由一較佳實施例配合圖式，詳細說明本發明的技術內容及特徵，本發明一較佳實施例所提供之高效能熱電材料包含有一鎂錫矽銻合金與一鎂鐵氧化物，更進一步說明，該高效能熱電材料係由該鎂錫矽銻合金之粉末與該鎂鐵氧化物之粉末混合後燒結而成，其中，該鎂錫矽銻合金為Mg ₂Sn _0.7Si _0.285Sb _0.015，該鎂錫矽銻合金係將鎂原料、錫原料、矽原料、以及銻原料依照配比進行熔煉所得，該鎂鐵氧化物為MgFe ₂O ₄，該鎂鐵氧化物為鎂鐵層狀雙氫氧化物經過熱處理鍛燒所得，於本實施例中，該鎂鐵層狀雙氫氧化物的鍛燒溫度為600 ℃至900 ℃，鍛燒時間為至少1小時，但該鎂鐵氧化物的製作條件並不以上述為限，該鎂鐵氧化物為片狀或粒狀晶體，圖1所示為該鎂鐵氧化物呈片狀之態樣。於其他可能的實施例中，該鎂錫矽銻合金的成分比例可有其他變化，例如Mg的比例範圍可為1.5~2.3，Sn的比例範圍可為0.5~0.9，Si的比例範圍可為0.24~0.30，Sb的比例範圍可為大於0並小於0.02。

實務上可先將該鎂錫矽銻合金破脆成顆粒狀，再將成為顆粒狀的該鎂錫矽銻合金與粉末狀的該鎂鐵氧化合物一起置於一球磨機中，藉由該球磨機將該鎂錫矽銻合金磨成粉末並與該鎂鐵氧化合物混合在一起，接著再將混合後的粉末裝入模具中進行燒結，燒結溫度為500 ℃至675 ℃，壓力為50 MPa，燒結時間至少1小時，以此獲得該高效能熱電材料。該鎂鐵氧化物分布於該高效能熱電材料中，該鎂鐵氧化物之含量可等於或小於2 wt%、等於或小於0.5 wt%、等於或小於0.1 wt%，例如可為0.05 wt %、0.1 wt %、0.5 wt %、0.7 wt %、1 wt %、1.5 wt %、或2 wt %。於其他可能的實施例中，該鎂鐵氧化物之含量可視情況變化，不以上述為限。

實務上判斷熱電材料的熱電性能最重要的指標為熱電優值(ZT)，根據公式ZT=σS ²T/κ，要獲得ZT值必須量測電導率(σ)、Seebeck係數(S)、熱導率(κ)隨溫度變化之結果，再由上述公式計算獲得熱電材料的熱電性能，其中σS ²的結果即為功率因數(power factor)。因此接下來說明添加不同鎂鐵氧化物含量之高效能熱電材料，與不添加該鎂鐵氧化物之一般熱電材料之間的比較。

如圖2所示，無論該高效能熱電材料所添加的該鎂鐵氧化物含量為多少，該高效能熱電材料的電導率(electrical conductivity, σ)均較一般熱電材料為高，尤其是該鎂鐵氧化物含量為0.1 wt%時，其電導率為1200至2000 S.cm ^-1，而一般熱電材料的電導率為900至1600 S.cm ^-1；由圖3可得知，無論是否添加該鎂鐵氧化物，該高效能熱電材料與該一般熱電材料的塞貝克係數(Seebeck coefficient, S)均為負值，但整體而言添加該鎂鐵氧化物的該高效能熱電材料之塞貝克係數較一般熱電材料為高；就功率因數(power factor)而言，如圖4所示，於300 ℃時，該鎂鐵氧化物含量為0.05 wt%的高效能熱電材料具有最高的功率因數，約5.00 × 10 ^-3W.m ^-1.K ^-2；就熱導率(thermal conductivity, κ)而言，如圖5所示，尤其該鎂鐵氧化物含量為0.1 wt%時，該高效能熱電材料在所有測量溫度下都顯示出最低的熱導率(thermal conductivity)，約為1.9 W.m ^-1.K ^-1；根據上述參數所計算出的ZT值如圖6所示，由此可得知當溫度為400 ℃時，該高效能熱電材料具有較高的ZT值，為1.39(該鎂鐵氧化物含量1 wt%)至1.72(該鎂鐵氧化物含量0.1 wt%)，而不添加該鎂鐵氧化物的一般熱電材料在400 ℃時的ZT值則為1.19，由此可見該高效能熱電材料的ZT值可有效提升17 %至45 %。需特別說明的是，當該鎂鐵氧化物之含量較2%為大時，該高效能熱電材料的ZT值或其他上述參數的結果未優於該鎂鐵氧化物之含量等於或小於2%時，因此本實施例僅呈現該鎂鐵氧化物之含量等於或小於2%時該高效能熱電材料的ZT值以及其他上述參數的結果。

本發明所提供之該高效能熱電材料具有該鎂鐵氧化物，故能有效提升功率因數，並同時降低熱傳導率，從而增強該高效能熱電材料的熱電優值，達到提升熱電轉換效率之目的。

無

圖1為本發明一較佳實施例之高效能熱電材料的鎂鐵氧化物之掃瞄式電子顯微鏡(SEM)的影像；圖2為本發明一較佳實施例之添加不同含量鎂鐵氧化物的高效能熱電材料與一般熱電材料於不同溫度的電導率示意圖；圖3為本發明一較佳實施例之添加不同含量鎂鐵氧化物的高效能熱電材料與一般熱電材料於不同溫度的塞貝克係數示意圖；圖4為本發明一較佳實施例之添加不同含量鎂鐵氧化物的高效能熱電材料與一般熱電材料於不同溫度的功率因數示意圖；圖5為本發明一較佳實施例之添加不同含量鎂鐵氧化物的高效能熱電材料與一般熱電材料於不同溫度的熱導率示意圖；圖6為本發明一較佳實施例之添加不同含量鎂鐵氧化物的高效能熱電材料與一般熱電材料於不同溫度的熱電優值示意圖。

Claims

一種高效能熱電材料，包含有一鎂錫矽銻合金與一鎂鐵氧化物，該高效能熱電材料係由該鎂錫矽銻合金之粉末與該鎂鐵氧化物之粉末混合後燒結在一起。
如請求項1所述之高效能熱電材料，其中該鎂鐵氧化物之含量等於或小於2 wt%。
如請求項2所述之高效能熱電材料，其中該鎂鐵氧化物之含量等於或小於0.5 wt%。
如請求項2所述之高效能熱電材料，其中該鎂鐵氧化物之含量等於或小於0.1 wt%。
如請求項1至4中任一項所述之高效能熱電材料，其中該鎂鐵氧化物為鎂鐵層狀雙氫氧化物經過熱處理所得。
如請求項5所述之高效能熱電材料，其中該鎂鐵層狀雙氫氧化物的熱處理溫度為600 ℃至900 ℃，時間至少1小時。
如請求項1至4中任一項所述之高效能熱電材料，其中該鎂鐵氧化物為片狀或粒狀。
如請求項1至4中任一項所述之高效能熱電材料，其中該鎂錫矽銻合金為Mg ₂Sn _0.7Si _0.285Sb _0.015。
如請求項1至4中任一項所述之高效能熱電材料，其中該鎂鐵氧化物為MgFe ₂O ₄。