CoSb3納米晶塊體熱電材料的制備研究探索

【摘 要】CoSb3材料的組合方式非常復(fù)雜，通常情況下制備該材料的溫度應(yīng)該合理控制在400°C左右，CoSb3納米晶塊體熱電材料的制備實(shí)驗(yàn)以機(jī)械鋁合金化-放電等離子燒結(jié)工藝為主。運(yùn)用放電等離子燒結(jié)工藝制造CoSb3材料的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生CoSb3塊體材料，該材料的最小平均粒徑為150納米，全面提高了該材料的致密度。筆者結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)CoSb3納米晶塊體熱電材料的制備方法和結(jié)果做了簡(jiǎn)單介紹。

【關(guān)鍵詞】CoSb3 納米晶 熱電材料 制備

伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)取得巨大成就，熱電材料種類越來(lái)越復(fù)雜，選用優(yōu)質(zhì)的熱電材料是相關(guān)行業(yè)發(fā)展中關(guān)注的重點(diǎn)內(nèi)容。CoSb3材料應(yīng)運(yùn)而生，該材料屬于熱電材料的范疇，可以有效提高材料的熱電性能，在我國(guó)熱電和制冷行業(yè)的發(fā)展建設(shè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。CoSb3材料的制備受多種因素的影響仍存在較多難題，如何解決這些難題需要研究人員加大研究力度，為我國(guó)熱點(diǎn)和制冷行業(yè)的發(fā)展建設(shè)提供技術(shù)保障。

一、實(shí)驗(yàn)方法

CoSb3納米晶塊體熱電材料的制備過(guò)程中原材料的制冷有嚴(yán)格控制，為了保障CoSb3材料的熱電性能，通常采用純度大于99.5%、粒徑為40.0ìm的鈷粉和純度大于99.5%、粒徑不低于200ìm不超過(guò)500ìm的銻粉為主。在保證原材料質(zhì)量后，以CoSb3材料的原子配合比為依據(jù)，將鈷粉和銻粉按照合適的比例進(jìn)行配置。制備過(guò)程中，還需要利用高能球磨機(jī)，選用規(guī)模不同的鋼球（鋼球大小不低于Ф4mm，不超過(guò)Ф15mm）將鋼球、鈷粉以及銻粉按照合適的比例放入球磨罐中，實(shí)驗(yàn)人員需保證球磨罐內(nèi)氬氣含量充足，減少粉末在球磨過(guò)程中發(fā)生氧化問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)人員必須明確球料的配合比，通常以20：1為準(zhǔn)，球磨機(jī)工作的電壓控制在110v左右，從而提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。放電等離子燒結(jié)工藝對(duì)燒結(jié)設(shè)備要求非常高，燒結(jié)設(shè)備通常以日本SINTER-SPS-3.20型放電等離子燒結(jié)系統(tǒng)為主，該系統(tǒng)模具為硬質(zhì)合金模具，該模具的直徑為Ф10mm，配置樣品的規(guī)模為Ф10mm×4mm。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用XRD技術(shù)分析粉末在高能球磨過(guò)程中的實(shí)際狀況，如粉末結(jié)構(gòu)的變化、晶粒度以及燒結(jié)后的成相情況，采用TEM觀察燒結(jié)后粉末形貌和燒結(jié)塊體的顯微組織。下圖1是CoSb3材料在高能球磨中的結(jié)構(gòu)變化情況。

圖1：CoSb3材料在高能球磨中的結(jié)構(gòu)變化

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）MA制備納米晶CoSb3合金粉末

上圖1是CoSb3材料在高能球磨中的結(jié)構(gòu)變化情況，從圖1中可以看出：球磨時(shí)間為5小時(shí)時(shí)，CoSb3材料在高能球磨中的結(jié)構(gòu)以單相的CoSb3合金粉末為主，該合金粉末的粒度分布不低于2.0μm，不超過(guò)30μm。以謝樂(lè)公式原理為主，計(jì)算CoSb3合金粉末平均晶粒，明確單純因晶粒度細(xì)化引起的寬度化，計(jì)算結(jié)果不低于20.0納米，不超過(guò)35.0納米。

（二）SPS制備CoSb3合金塊體

進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)前，工作人員應(yīng)該將壓力控制在1000MPA左右，保溫時(shí)間為2分鐘，以不同的溫度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行燒結(jié)實(shí)驗(yàn)。不同溫度的SPS燒結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明當(dāng)燒結(jié)溫度不低于200°C，不超過(guò)600°C時(shí)，各溫度環(huán)境下均可得到單相的CoSb3合金塊體。下圖2是合金塊體與溫度之間的變化關(guān)系。

圖2：CoSb3合金塊體與溫度之間的變化關(guān)系

從上圖2中可以看出，當(dāng)實(shí)驗(yàn)溫度不低于200°C，不超過(guò)350°C時(shí)，燒結(jié)的CoSb3合金塊體平均晶粒尺寸為30納米，與MA后CoSb3粉末的平均晶粒尺寸幾乎保持一致，該溫度下CoSb3合金塊體的致密度在95%之間。當(dāng)燒結(jié)溫度超過(guò)350°C，低于600°C時(shí)，CoSb3合金塊體的晶粒嘴直增大，致密度較實(shí)驗(yàn)溫度不低于200°C，不超過(guò)350°C結(jié)果相比顯著提高。當(dāng)CoSb3合金塊體的燃燒溫度達(dá)到600°C時(shí)，CoSb3合金塊體晶粒仍保持在100納米以內(nèi)，致密度卻不低于97.4%，不超過(guò)99.6%，由此可見(jiàn)，采用機(jī)械鋁合金化-放電等離子燒結(jié)工藝可以制備出高致密度的CoSb3合金塊體材料。

采用機(jī)械鋁合金化-放電等離子燒結(jié)工藝，當(dāng)溫度在500°C左右時(shí)，可以成功制備高致密度的CoSb3合金塊體，CoSb3合金塊體的晶粒尺寸不小于0納米，不超過(guò)100納米，致密度高達(dá)99.6%。CoSb3納米晶合金塊體的制備研究的原理是將機(jī)械合金化使粉末致密度得到顯著提高，從而獲得優(yōu)質(zhì)的CoSb3納米晶塊體熱電材料。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，CoSb3納米晶塊體熱電材料的制備過(guò)程非常復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)人員必須在合理控制溫度和調(diào)配原材料配合比的前提下，保障實(shí)驗(yàn)各步驟的順利完成，才能制備出具有優(yōu)質(zhì)性能的CoSb3合金塊體材料。CoSb3納米晶塊體熱點(diǎn)材料在我國(guó)熱電和制冷行業(yè)的發(fā)展建設(shè)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，研究人員應(yīng)該結(jié)合該材料的實(shí)際特性，利用機(jī)械鋁合金化-放電等離子燒結(jié)工藝制備出高致密度的CoSb3納米晶塊體熱電材料，為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

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