专利名称:利用辐照处理增强热电材料性能的方法
技术领域：
本公开涉及的领域通常包括热电材料处理，特别地，涉及利用辐照处理增强热电 材料性能。
背景技术：
中子和离子辐照材料产生能够影响材料性质的缺陷。
发明内容
用于增强热电材料的热电特性的方法可基于产生大密度的声子散射点，通过利用 中子或其他的中性或带电粒子，或电磁辐射(伽马或X射线)辐射材料而在热电材料中结 合纳米尺度的内部缺陷而产生所述大密度的声子散射点。
本发明的其他示例性实施例将从以下提供的详细描述中显而易见。应该理解的 是，公开本发明的示例性实施例的详细描述及特定的实例只是为了说明目的而并不意在限 制本发明的范围。
本发明还提供了以下解决方案
1、一种方法，包括
提供热电材料；
辐照所述热电材料以在所述热电材料中产生纳米长度量级特征。
2、如解决方案1所述的方法，其中所述纳米长度量级特征包括一个或多个点缺 陷。
3、如解决方案1所述的方法，其中所述纳米长度量级特征包括一个或多个晶体缺 陷。
4、如解决方案3所述的方法，其中所述一个或多个晶体缺陷包括一个或多个在所 述热电材料中形成的新晶界。
5、如解决方案3所述的方法，其中所述一个或多个晶体缺陷包括在所述热电材料 内的晶格失配。
6、如解决方案3所述的方法，其中所述一个或多个晶体缺陷包括在所述热电材料 内的孪晶。
7、如解决方案1所述的方法，其中所述热电材料内的所述纳米长度量级缺陷包括 一个或多个点缺陷和晶体缺陷。
8、如解决方案1所述的方法，其中辐照所述热电材料诱导所述热电材料中的元素嬗变。
9、如解决方案1所述的方法，其中辐照所述热电材料诱导新元素通过离子注入进 入所述热电材料。
10、如解决方案1所述的方法，其中辐照所述热电材料将元素的特定同位素结合 在所述热电材料中。[0018]11、如解决方案1所述的方法，其中辐照所述热电材料包括中子辐照。
12、如解决方案1所述的方法，进一步包括热处理所述热电材料。
13、如解决方案1所述的方法，进一步包括采用辐照过的热电设备从能量源产生 H1^ ο
14、一种用于增强热电材料的热电品质因数的方法，包括
提供热电材料；
提供第一辐照设备；
将所述热电材料引入所述第一辐照设备内；以及
辐照所述热电材料以在所述热电材料中产生纳米长度量级特征。
15、如解决方案14所述的方法，进一步包括
提供第二辐照设备；
在所述第二辐照设备内辐照所述热电材料，其中在所述第一辐照设备和所述第二 辐照设备中对所述热电材料的辐照在所述热电材料中产生纳米长度量级的特征。
16、如解决方案15所述的方法，其中在所述第一辐照设备内和在所述第二辐照设 备内对所述热电材料的辐照是串行进行的。
17、如解决方案15所述的方法，其中在所述第一辐照设备内和在所述第二辐照设 备内对所述热电材料的辐照是并行进行的。
18、如解决方案14所述的方法，进一步包括采用热处理设备热处理所述热电材 料。
19、如解决方案14所述的方法，其中所述第一辐照设备包括中子束设备。
20、如解决方案14所述的方法，其中所述第一辐照设备包括粒子加速器。
通过详细描述及附图，能够更充分地理解本发明的示例性实施例，其中
图1是根据示例性实施例的辐照热电材料以诱导纳米级缺陷及附加晶界的工艺 示意图。
具体实施方式
下面的实施例(一个或多个)描述实质上只是示范性(说明性)的，决不意在限 制本发明、其应用或用途。
如图1所示的示例性实施例描述了采用辐照设备16辐照热电材料8以形成具有 改进热电性能的辐照热电材料10的工艺。辐照前，热电材料8可包括晶界12。在一个实施 例中，辐照后的热电材料10可包括除晶界12之外的新晶界13。在另一实施例中，辐照热电 材料10也可具有其他有益的材料缺陷，包括纳米长度量级(纳米级)尺度缺陷14或特征 14，其可位于现有晶界12处、新晶界13处、和/或在组成辐照热电材料10的晶粒内部。
上述通过辐照增强热电材料10的性能可在应用于特定设备时证明其多种工程设 计优点，但是通常可被期望来改进材料热电品质因数(ZT)，该热电品质因数(ZT)自身取决 于其他材料特性。这些其他材料特性可包括赛贝克Geebeck)系数(S)、电阻率(P )及热 导率(k)，使得ZT = S2T/k P，其中T是温度。[0039]降低材料的热导率k是可辐照增强材料ZT的可能机制中的一个，这能够通过形成 纳米长度量级缺陷或特征14实现，如上面的图1所示。这些缺陷14的性质可包括点缺陷、 晶体缺陷(例如图1示出的新晶界13、或晶格失配、或孪晶，等)，这由前驱体热电材料8(即 被辐照以形成材料10的材料)中原子的辐照的弹性和非弹性散射形成。
辐照可导致直接或即刻产生上述纳米级缺陷14，或者纳米级缺陷14可在由热处 理设备18的热处理后和/或经过机械处理设备19而出现，所述热处理设备18和机械处理 设备19可与图1所示的辐照设备16联合使用。热或机械处理可在辐射处理之前、期间和 /或之后发生。替代地，纳米级缺陷14可由本领域普通技术人员所知的大量级辐照增强无 序的其他材料工艺而出现。
在一个特定的示例性实施例中，用于改变材料8的辐射可通过在前驱体合金或热 电材料8中加入特定的元素同位素而内部应用，所述材料自然地经历放射性衰变并自发地 发出辐射。
在另一个特定的示例性实施例中，用于改变热电材料8的辐射可通过热电材料8 的辐照而外部应用，所述材料然后经历外部应用的辐射与核子之间的核反应，例如采用中 子或其他粒子俘获物或通过伽马射线吸收。
在任一情形(内部应用或外部应用)中，被激发的核子随后经历放射性发射或核 衰变，从而变更短程(晶格)和/或长程(微结构)材料特性，因而产生如上面图1所示的 优化热电材料10。
中子辐照可提供若干概念上的优点，因为期望提供对块体材料8的最大穿透(相 比于带电粒子或电磁辐射)，导致甚至对非晶形点产生弹性和非弹性散射缺陷14。一些该 缺陷14可在临界温度以上自修复，因而可预期针对一些材料，最佳辐照条件可需要在必要 的密度和分布下在缺陷14中的低温冻结，因而在可用的热电设备的运转温度下产生亚稳 态结构10。
基于辐射类型(即中子、质子、离子、伽马射线，等)、辐射能量和辐射通量的需求， 可选择辐照源(即辐照设备16)，其最终取决于用于制造热电材料8的元素及诱导期望的热 电材料改进的辐射类型，其中该改进可包括嬗变或另外的晶格点原子的替换。
在一个中子辐照的示例性实施例中，可使用的辐照设备16为中子束。在另一个示 例性实施例中，辐照设备16可以是粒子加速器。
在另一个示例性的辐照方法中，在前驱体热电材料8中可利用稳定的原子核。接 下来，在制造后和制造过程中，外部应用的非放射性诱导辐射可应用于材料8，注意开始的 化学物和同位素组分可需要是被特殊地改变、选择或富集以获取益处。这种辐照可包括由 典型的加速器或反应堆技术产生的离子和粒子(中子、质子、电子或光子)。在这种方法中， 热电材料8的放射性从未增强到普通背景水平以上。
进而，中子辐照，热中子和快中子，能够诱导元素嬗变、材料组分的一部分的放射 性激活。嬗变元素在热电材料8的初始晶体矩阵中可具有低溶解度或甚至可不溶，使得允 许它们通过主晶格相对自由地扩散，或者在各种源自热处理设备18的热处理或源自机械 处理设备19的机械处理(例如，机械设备施压或使材料受应力)下充分扩散，最终浓缩为 纳米级晶粒内含物(缺陷)14或晶界结构12。当嬗变元素回复到其原始元素种类或其采用 了另一元素的一个更稳定的同位素形式时，额外的缺陷转变可以发生。即使嬗变元素仍旧如稳定同位素一样在原始晶格中，类似于嬗变元素的纳米级沉淀物，其代表点缺陷14和可 能的纳米级异质性或能够导致增强的声子散射的缺陷，因而降低了热导率或改进了热电功 率(赛贝克系数)。
当其通过内米级缺陷14的声子散射潜在地改进热电材料性能时，其他形式的辐 照具有其自身的优点。在源自设备16的带电粒子束或离子轰击情况下，能够通过直接 离子注入晶格或内含物内而诱导缺陷14，和/或缺陷14能够采取由带电粒子产生的能 够基于所采用的特定离子和动能调谐为特定的纳米长度量级的拉伸散射轨迹形式。在 光子、伽马射线的情况下(其为电磁辐射的高能形式)将会最大可能地相当大地影响热 电材料的改变和增强。尽管对热电材料应用伽马辐射不是明显创新，对于超导材料(如 Bi1.6Pb0.4Sr2Ca2Cu3010)已经观察到在伽马辐照后增强了临界电流密度(Superconductor Science & Technology 19(1) :151-154JAN 2006)。对于热电材料的增强，共同存在的伽马 射线和其他形式的辐射可为特别有用的。
在另一示例性实施例中，不止一种的上述辐照技术也可以被串行或并行应用于前 驱体热电材料8。这也可结合一系列的热和/或机械处理进行，以进一步增强最终的依赖于 其最终使用的产品。
在一个实施例中，材料8可具有对于非弹性散射相对高的横截面。这种典型的材 料8可在非弹性散射期间转变，相反于简单地形成相同材料的同位素。进而，这种材料8可 在原子种类之间嬗变。例如，锆原子辐照可向核子诱导额外的质子，其中产生铌原子。进而， 受辐射材料必须不在辐照后保留放射性太长时间以致不期望或在热电设备中不可用。其他 热电前驱体材料可以包括元素铪、钒、铜、锑或锡。
可从任意上述方法的辐照获益的一种示例性前驱体合金是&附511。^NiSn具有 良好的中子俘获横截面。另一种前驱体合金是％A13。其他的前驱体合金是填充的方钴矿。
发现这些辐照后的材料10可应用于许多与热处理有关的用途和设备。一个非限 定的示例性应用是汽车的废热回收系统。例如，这些材料10可以是与车辆排气系统相关联 的热电设备的一部分。其他可以应用这些材料的废热回收系统包括但不限于发电厂、燃料 电池或任何具有大量热量的工业基础设施。例如，这种具有辐照诱导缺陷的辐照热电材料 可用于从能量源(诸如但不限于由车辆、发电厂、燃料电池或工业基础设施产生的废热)产 生电流。
上述本发明实施例的描述实际上仅是示例性的，因而不认为它的变体脱离本发明 的精神和范围。
权利要求
1.一种方法，包括 提供热电材料；辐照所述热电材料以在所述热电材料中产生纳米长度量级特征。
2.如权利要求
1所述的方法，其中所述纳米长度量级特征包括一个或多个点缺陷。
3.如权利要求
1所述的方法，其中所述纳米长度量级特征包括一个或多个晶体缺陷。
4.如权利要求
3所述的方法，其中所述一个或多个晶体缺陷包括一个或多个在所述热 电材料中形成的新晶界。
5.如权利要求
3所述的方法，其中所述一个或多个晶体缺陷包括在所述热电材料内的 晶格失配。
6.如权利要求
3所述的方法，其中所述一个或多个晶体缺陷包括在所述热电材料内的孪晶。
7.如权利要求
1所述的方法，其中所述热电材料内的所述纳米长度量级缺陷包括一个 或多个点缺陷和晶体缺陷。
8.如权利要求
1所述的方法，其中辐照所述热电材料诱导所述热电材料中的元素嬗变。
9.如权利要求
1所述的方法，其中辐照所述热电材料诱导新元素通过离子注入进入所 述热电材料。
10.如权利要求
1所述的方法，其中辐照所述热电材料将元素的特定同位素结合在所 述热电材料中。
专利摘要
本发明涉及利用辐照处理增强热电材料性能的方法。具体地，一个实施例包括一种用于增强热电材料的热电性能的方法，该方法包括辐照处理。
文档编号G21H5/00GKCN102097579SQ201010520444
公开日2011年6月15日 申请日期2010年9月8日
发明者C·D·费尔斯特, G·P·梅斯纳, J·杨 申请人:通用汽车环球科技运作公司导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan