CN110459670A - 基于非晶材料原位制备磁性纳米复合热电材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于非晶材料原位制备磁性纳米复合热电材料的方法，该制备方法，包括以下步骤：将非晶材料在晶化温度以上进行热处理，原位得到磁性纳米复合热电材料；所述磁性纳米复合热电材料由热电基体材料和磁性纳米颗粒组成。本发明以非晶材料为原材料，在其晶化温度以上进行热处理，原位获得由热电基体材料和磁性纳米颗粒组成的磁性纳米复合热电材料，所得的磁性纳米复合热电材料中磁性纳米颗粒分布均匀、尺寸可控，性能重复性好，且制备工艺大大简化，进而大大降低了其制备成本低，适用于工业化生产，对制备磁性纳米复合热电材料具有重要的经济和科学价值。

Description

基于非晶材料原位制备磁性纳米复合热电材料的方法
技术领域
本发明涉及热电材料制备技术领域，特别涉及一种基于非晶材料原位制备磁性纳米复合热电材料的方法。
背景技术
随着世界经济的飞速发展，人口的快速增加和工业规模的不断扩大，人们对能源的需求也不断增长。热电材料利用热电效应可以直接进行电能和热能的可逆转换，并且其构成的热电器件具有体积小、无噪音、无传动、无污染、寿命长等优点，因此，热电材料作为环境友好型材料在解决世界能源可持续发展方针中具有非常可观的应用前景。
纳米复合是优化材料热电性能的重要方向，现有纳米复合热电材料一般通过将基体粉末与纳米颗粒混合后烧结制得，若该纳米颗粒为磁性纳米颗粒，则容易出现磁性纳米颗粒团聚、分布不均等问题。虽然，目前，有学者通过表面改性等方法制备磁性纳米颗粒，再将其与基体粉末混合制备磁性纳米复合材料时可以解决团聚问题，但是该工艺制备周期较长，成本较高，制备工艺也较为复杂，因此，一定程度上限制了其更为广泛的应用。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种基于非晶材料原位制备磁性纳米复合热电材料的方法，以解决现有磁性纳米复合热电材料制备过程中容易出现磁性纳米颗粒团聚、分布不均、制备工艺复杂的问题。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种基于非晶材料原位制备磁性纳米复合热电材料的方法，包括以下步骤：
将非晶材料在晶化温度以上进行热处理，原位得到磁性纳米复合热电材料；所述磁性纳米复合热电材料由热电基体材料和磁性纳米颗粒组成。
可选地，所述热电基体材料为Bi2Te3、PbX、Mg2X、SiGe、MX3、MNiSn、MCoSb、XFeSb、FeSi2、FexSiyB100-x-y中的一种；所述PbX中X为S、Se、Te中的一种；所述Mg2X中X为Si、Ge、Sn中的一种；所述MX3中M为Co、Rh、Ir中的一种，X为P、As、Sb中的一种；所述MNiSn中M为Ti、Zr、Hf中的一种；所述MCoSb中M为Ti、Zr、Hf中的一种；所述XFeSb中X为V、Nb、Ta中的一种。
可选地，所述磁性纳米颗粒为Fe、Co、Ni、Mn、Gd、BaFe12O19、Gd5Si2Ge2、LaFe11.6Si1.4中的一种。
可选地，所述将非晶材料在晶化温度以上进行热处理，包括：将非晶材料在晶化温度以上进行退火处理。
可选地，所述退火处理的退火时间为20～60min。
相对于现有技术，本发明所述的基于非晶材料原位制备磁性纳米复合热电材料的方法具有以下优势：
本发明以非晶材料为原材料，在其晶化温度以上进行热处理，原位获得由热电基体材料和磁性纳米颗粒组成的磁性纳米复合热电材料，所得的磁性纳米复合热电材料中磁性纳米颗粒分布均匀、尺寸可控，性能重复性好，且制备工艺大大简化，进而大大降低了其制备成本低，适用于工业化生产，对制备磁性纳米复合热电材料具有重要的经济和科学价值。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例1和实施例2的磁性纳米复合热电材料的DSC图；
图2为本发明实施例1和实施例2的磁性纳米复合热电材料的XRD图谱；
图3为本发明对比例的未退火的非晶材料的SEM照片；
图4为本发明实施例1的磁性纳米复合热电材料的SEM照片；
图5为本发明实施例2的磁性纳米复合热电材料的SEM照片；
图6为本发明实施例1和实施例2的磁性纳米复合热电材料的磁滞回线图；
图7为本发明实施例1和实施例2的磁性纳米复合热电材料的功率因子随温度变化的曲线。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将结合附图和实施例来详细说明本发明。
实施例1
一种基于非晶材料原位制备磁性纳米复合热电材料的方法，具体包括以下步骤：
将高真空甩带机制备的非晶材料，即Fe78Si9B13非晶薄带放入石英管中，在小于10Pa的真空度下真空封管，其中，由图1可知，Fe78Si9B13非晶薄带的DSC图中存在两个明显的放热峰，第一个峰为α-Fe的晶化峰，晶化温度为498℃，第二个峰为Fe2B的晶化峰，晶化温度为540℃；
将含有Fe78Si9B13非晶薄带的石英管放入520℃的电阻炉中，退火处理40min，然后，随炉冷却，即可原位得到磁性纳米复合热电材料，该磁性纳米复合热电材料由热电基体材料(FexSiyB100-x-y)和磁性纳米颗粒(Fe)组成，即非晶材料(Fe78Si9B13)含有组成磁性纳米复合热电材料中热电基体材料和磁性纳米颗粒的元素，其经过热处理后，即可原位得到上述磁性纳米复合热电材料。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：本实施例的基于非晶材料原位制备磁性纳米复合热电材料的方法中退火处理时间为60min。
对本发明实施例1和实施例2制得的磁性纳米复合热电材料进行XRD测试，并将其与未退火的非晶材料(Fe78Si9B13非晶薄带)，即对比例，进行对比，测试结果如图2所示。
由图2可知，对比例的XRD图中不能观察到明显的晶相峰，说明所选Fe78Si9B13非晶薄带的确为非晶材料，相比对比例而言，本发明实施例1和实施例2中均发现了明显的晶相峰，并且主要析出物为α-Fe(对应PDF卡片编号为#06-0696)，还存在少量Fe2B析出相(对应PDF卡片编号为#03-1053)，说明通过本发明的退火热处理，能够析出α-Fe磁性晶体。
对本发明实施例1和实施例2制得的磁性纳米复合热电材料进行SEM测试，并将其与未退火的非晶材料(Fe78Si9B13非晶薄带)，即对比例，进行对比，测试结果分别如图3(对比例)、图4(实施例1)和图5(实施例2)所示。
由图3、图4和图5可知，对比例的SEM图中非晶材料(Fe78Si9B13非晶薄带)没有明显衬度变化，而实施例1和实施例2的磁性纳米复合热电材料中均可观察到分布均匀的纳米晶粒，结合图1的XRD分析结果可知，该纳米晶粒为α-Fe磁性晶粒，说明通过本发明的退火处理能够原位析出磁性纳米晶，获得磁性纳米复合材料。而且由图4和图5可知，实施例1中纳米晶粒的平均尺寸约为95nm，实施例2中纳米晶粒的平均尺寸约为180nm，说明通过控制本发明退火时间可实现对磁性纳米复合热电材料中纳米晶粒尺寸的良好调控。
对本发明实施例1和实施例2制得的磁性纳米复合热电材料进行磁性测试，并将其与未退火的非晶材料(Fe78Si9B13非晶薄带)，即对比例，进行对比，测试结果如图6所示。
由图6可知，实施例1和实施例2的磁性纳米复合热电材料与对比例的非晶材料均表现出具有明显的铁磁性，且实施例1和实施例2的磁性纳米复合热电材料相比对比例的非晶材料的饱和磁性强度更大，结合图2的XRD分析可知，通过本发明退火处理的非晶材料(Fe78Si9B13非晶薄带)原位析出的纳米颗粒为磁性纳米颗粒。
对本发明实施例1和实施例2制得的磁性纳米复合热电材料进行热电性能测试，并将其与未退火的非晶材料(Fe78Si9B13非晶薄带)，即对比例，进行对比，测试结果如图7所示。
由图7可知，相比于对比例，本发明实施例1和实施例2通过退火处理得到的磁性纳米复合热电材料的功率因子均有大幅提高，说明通过本发明的制备方法可制得具有一定热电性能的磁性纳米复合热电材料。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于非晶材料原位制备磁性纳米复合热电材料的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将非晶材料在晶化温度以上进行热处理，原位得到磁性纳米复合热电材料；所述磁性纳米复合热电材料由热电基体材料和磁性纳米颗粒组成。
2.根据权利要求1所述的基于非晶材料原位制备磁性纳米复合热电材料的方法，其特征在于，所述热电基体材料为Bi2Te3、PbX、Mg2X、SiGe、MX3、MNiSn、MCoSb、XFeSb、FeSi2、FexSiyB100-x-y中的一种；所述PbX中X为S、Se、Te中的一种；所述Mg2X中X为Si、Ge、Sn中的一种；所述MX3中M为Co、Rh、Ir中的一种，X为P、As、Sb中的一种；所述MNiSn中M为Ti、Zr、Hf中的一种；所述MCoSb中M为Ti、Zr、Hf中的一种；所述XFeSb中X为V、Nb、Ta中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于非晶材料原位制备磁性纳米复合热电材料的方法，其特征在于，所述磁性纳米颗粒为Fe、Co、Ni、Mn、Gd、BaFe12O19、Gd5Si2Ge2、LaFe11.6Si1.4中的一种。
4.根据权利要求1所述的基于非晶材料原位制备磁性纳米复合热电材料的方法，其特征在于，所述将非晶材料在晶化温度以上进行热处理，包括：将非晶材料在晶化温度以上进行退火处理。
5.根据权利要求4所述的基于非晶材料原位制备磁性纳米复合热电材料的方法，其特征在于，所述退火处理的退火时间为20～60min。
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