含弥散分布氮化物颗粒的p-型β-FeSi2基热电材料 技术领域
本发明涉及热电材料。
背景技术
热电材料是一种通过载流子(电子或空穴)的运动实现电能和热能直接相互转换的功能材料。热电材料两端存在温差时，热电材料能将热能转化为电能输出；或反之在热电材料中通以电流时，热电材料能将电能转化为热能，一端放热而另一端吸热。热电材料在制冷或发电等方面有广泛的应用前景。用热电材料制造的发电装置除了可为深层空间航天器、野外作业、海洋灯塔、游牧人群提供小型可移动电源以外，在工业上主要用于余热、废热发电。用热电材料制造的温差发电装置具有无机械运动部件、无噪声、无磨损、结构简单、体积形状可按需要设计、对热源性质要求低等突出优点。用热电材料制造的制冷装置体积小、不需要化学介质，同时也具有与上述发电装置相同的优点。目前已被应用在小型便携式冷藏箱、计算机芯片冷却器、激光探测器局部冷却、医用便携式超低温冰箱等方面，更广泛的潜在应用领域将包括：家用冰箱、冷柜，车用或家用空调装置等。
热电材料的性能用“热电优值”Z表征：Z＝(α2σ/κ)。这里α是材料的热电势系数，σ是电导率，κ是热导率。现有的β-FeSi2基热电材料(包括Mn掺杂或/和Al掺杂，Fe、Si原子含量比为1∶1.9～2.5)具有较高的热电动势率，原料丰富，价格低廉，抗氧化性能好等优点，但过高的热导率影响了β-FeSi2基热电材料的性能。加强声子传导散射，降低声子热导率，是进一步提高β-FeSi2基热电材料性能的主要手段。
发明内容
本发明的目的提供一种含弥散分布氮化物颗粒地p-型β-FeSi2基热电材料，以加强对声子热传导的阻碍，降低材料的热导率，提高β-FeSi2基热电材料的Z值。
本发明的含弥散分布氮化物颗粒的p-型β-FeSi2基热电材料，包括Mn掺杂或/和Al掺杂，Fe、Si原子含量比为1∶1.9～2.5，其特征是该材料中含有弥散分布的氮化物颗粒，氮化物颗粒的质量含量为0.5～2％。
上述的氮化物颗粒可以是氮化硼、氮化硅等非金属氮化物，也可以是氮化铝、氮化铁等金属氮化物。氮化物颗粒尺寸在200纳米以下，氮化物颗粒在β-FeSi2基热电材料中的分布间距，一般在0.5～2微米。
本发明材料可采用熔炼凝固、冷压粉末烧结、热压粉末烧结等传统方法制备，并经退火以完成β相转变。
本发明的含弥散分布氮化物颗粒的p-型β-FeSi2热电材料性能优于现有的β-FeSi2基热电材料，其热导率低，热电性能高。
具体实施方式
本发明的含弥散分布氮化物颗粒的p-型β-FeSi2基热电材料，采用950～975℃真空热压方法烧结，然后经800℃真空退火20小时完成β相转变。实施例与相对应的对比例的基体材料成分和制备工艺参数完全相同。
材料的热导率κ根据采用Netzsch LFA-427型激光脉冲热分析仪测量的热扩散系数、采用DSC-404型差分比热仪测量的比热以及材料的密度计算得到。材料的热电势系数α采用Agilent 34970A数据采集仪测量给定温差试样两端电势差计算得到，材料的电导率σ采用四电极法测量。材料的热电优值Z根据上述测量值计算得到。表1给出了实施例以及相应对比例在600℃时的热导率κ和热电优值Z数据。
表1 效果 实例 材料 氮化物颗粒 600℃时的热电性能种类 尺寸 含量κ，W/(m·K)Z，(10-6/K)实施例1 FeSi1.9∶Mn氮化铁＜100nm 0.5wt％ 3.75 1782 FeSi2.0∶Mn氮化硅＜100nm 0.5wt％ 3.65 1993 FeSi2.3∶Mn氮化硅＜200nm 1.5wt％ 5.21 89.85 FeSi2.0∶Al氮化铝＜100nm 0.5wt％ 4.83 162对比例1 FeSi1.9∶Mn 未添加氮化物 4.72 1382 FeSi2.0∶Mn 4.40 1623 FeSi2.3∶Mn 6.27 67.54 FeSi2.0∶Al 6.70 117