n型热电材料的制作方法_3

文档序号:8474216阅读:来源:国知局
电材料还满足b = 0、a>0、c>0、ad>0 和cf>0,元素 A'含有Ca和/或Sr,以及元素 C'含有Al和/或Ga (组成(1.3))。
[0137] 组成(1. 3)至少含有Ba和In作为填充元素 R,但是不含稀土元素。
[0138] 当含有两种以上碱土金属元素(d〈l)时,组成(1.3)还含有Ca和/或Sr作为填 充元素 R。
[0139] 当含有两种以上IIIB族元素(e〈l)时,组成(1.3)还含有Al和/或Ga作为填充 元素 R。
[0140] 组成(1. 3)在以下几点是有利的:
[0141] 即,电导率σ通过掺杂碱土金属元素而提高,而热导率κ通过掺杂ΠΙΒ族元素 而降低。因此,在最佳组成处,ZT值成为1. 2以上(参见样品号168等)。
[0142] [1. 3. 4.组成(1. 4)]
[0143] 优选地,除满足上述条件⑴~(3)外,η型热电材料还满足0. 2彡b彡0. 3和 e>0,以及含有一种以上元素作为元素 B'(组成(1.4))。即,组成(1.4)至少含有Yb、一种 以上元素 B'、和In作为填充元素 R。
[0144] 组成(1. 4)在以下几点是有利的:
[0145] (1)组成(L 4)中包含的许多材料具有高于L 2的ZT值(例如,参见样品号73~ 77)。
[0146] (2)组成(1. 4)中包含的许多材料具有高于L 3的ZT值(例如,参见样品号78、 79、114、118、119、127、131、132、138、139、141、146)。
[0147] [1. 3. 5.组成(1. 5)]
[0148] 优选地,除满足上述条件(1)~(3)外,η型热电材料还满足0. 3〈b彡0. 6和e>0, 及含有两种以上元素作为元素 B'(组成(1.5))。即,组成(1.5)至少含有Yb、两种以上元 素 B'和In作为填充元素 R。
[0149] 组成(1. 5)在以下几点是有利的:
[0150] 即,组成(1. 5)具有相对高的ZT值,并且在组成(1. 5)中包含的许多材料具有高 于1.3的21'值(例如,参见样品号189~192、196~197、203、205)。
[0151] [1. 3. 6.组成(1. 6)]
[0152] 优选地,除满足上述条件⑴~(3)外,η型热电材料还满足0〈a彡0.4 (组成 (1. 6))。即,组成(1. 6)至少含有Ba和In作为填充元素 R。
[0153] 组成(1. 6)在以下几点是有利的:
[0154] 即,如在样品号 39(1873S/cm)-样品号 60(1960S/cm)-样品号 80(2230S/cm) 中,随着碱土金属元素量的增加,电导率σ增加。然而,因为它们不含In并且为0.4 <a, 所以这些样品具有低的性能。此外,即使当含有In时,当0. 4〈a时,ZT值没有达到I. 2(例 如,参见样品号181等)。相反地,在其中部分元素 A用其它种类元素取代以使得a < 0. 4 的组成中,ZT值高于I. 2(例如,参见样品号178,或样品号180 - 171等)。
[0155] [1. 3. 7.组成(1. 7)]
[0156] 优选地,除满足上述条件(1)~(3)外,η型热电材料还满足0.3彡a〈0. 4和 0· 1彡ad彡0· 2,以及含有Ca和Sr作为元素 A'(组成(1. 7))。"ad"表示Ba的量(原子 比率)。
[0157] 即,组成(1. 7)至少含有Ba、Ca、Sr和In作为填充元素 R。
[0158] 组成(1. 7)在以下几点是有利的:
[0159] 即,组成(1. 7)具有相对高的ZT值,并且在组成(1. 7)中包含的许多材料具有靠 近1.3或高于1.3的ZT值(例如,参见样品号171、204~207)。
[0160] [1. 3. 8.组成(1. 8)]
[0161] 优选地,除满足上述条件(1)~(3)外,η型热电材料还满足a = 0. 4,b>0,c>0和 0.1彡ad彡0.2,以及含有Ca和Sr作为元素 A'(组成(1.8))。即,组成(1.8)至少含有 Ba、Ca、Sr、稀土元素和In作为填充元素 R。
[0162] 组成(1. 8)在以下几点是有利的:
[0163] 即,组成(1. 8)可获得相对高的热电性能,具有1. 2以上的ZT值(例如,参见样品 号 178)。
[0164] [1. 3. 9.组成(1. 9)]
[0165] 优选地,除满足上述条件(1)~(3)外,η型热电材料还满足0. 1彡c彡0. 4(组 成(1. 9))。即,组成(1. 9)至少含有In作为填充元素 R。
[0166] 组成(1. 9)在以下几点是有利的:
[0167] 即,如在样品号10-样品号99-样品号98中,随着"c"的增加,热导率κ减 小。然而,在〇.4〈c的组成范围内,ZT值因电导率〇不足而没有达到1.2。相反地,对于在 0. 1彡c彡0. 4的组成范围内的样品(例如,参见样品号101~104),它们的ZT值都高于 1. 2〇
[0168] [1. 3. 10.组成(I. 10)]
[0169] 优选地,除满足上述条件⑴~(3)外,η型热电材料还满足0. 2彡c彡0. 4,C = IrifGagAlm,以及满足 0〈cg 彡 0· 2 和 0 彡(l-f-g)c 彡 0· 1 (组成 L 10))。"eg"表示 Ga 的 量(原子比率)。"(l-f-g)c"表示Al的量(原子比率)。即,组成(1.10)至少含有In和 Ga作为填充元素 R。
[0170] 组成(1. 10)在以下几点是有利的:
[0171] 即,与组成(1.9)相比,组成(1. 10)能降低热导率κ而不极大地减少电导率〇。 因此,在组成(1. 10)中包含的许多材料具有高于1.3的ZT值(例如,参见样品号189~ 192、196 ~197、203、205)。
[0172] [1. 4.无量纲品质因数(ZT)]
[0173] 如上所述,通过优化填充元素 R的种类和量,提高了 η型热电材料的无量纲品质因 数(ZT)。ZT是温度的函数,存在一个温度,在该温度处可获得最高的ΖΤ。通过优化填充元 素 R的种类和量,在823Κ的ZT值变为1. 3以上。
[0174] [2. η型热电材料(2)]
[0175] 根据本发明第二实施方案的η型热电材料具有以下构成(Γ )~(3'):
[0176] 0- )n型热电材料具有由下式(X')表示的组成(条件(Γ)):
[0177] (AaBbCcDt)Ccv yFeySb12 ··· (X,)
[0178] 其中 0· I < a < 0· 3,0· I < b < 0· 6,0· K c < 0· 4,0 < t < 0· 1,
[0179] a+b+c+t = x, 0. 5 χ I. 0,0 y 0. 4,
[0180] 元素 A (填充元素 Α)是选自Ca、Sr和Ba中的一种以上元素,
[0181] 元素 B (填充元素 B)是选自Y、Sc和La至Lu中的一种以上元素,
[0182] 元素 C(填充元素 C)是选自Al、Ga和In中的一种以上元素,以及
[0183] 元素 D (填充元素 D)是Zn和/或Ti ;
[0184] (2,)AaBbCeDt( = Rx)满足下式(Y,)(条件(2')):
[0185] Rx= · · (Y,)
[0186] 其中 0· 1 彡 ad 彡 0· 2,0· 1 彡 be 彡 0· 3,
[0187] 0〈f〈l,0 彡 eg 彡 0· 15, f+g 彡 1,
[0188] 元素 A'是除Ba外的填充元素 A,且
[0189] 元素 B'是除Yb外的填充元素 B,以及
[0190] (3')n型热电材料含有总计六种以上的填充元素 A~D(条件(3'))。
[0191] [2.1.填充方钴矿]
[0192] 因为填充方钴矿基化合物的详述与第一实施方案中的那些相同,所以将省略其的 描述。
[0193] [2. 2.填充元素]
[0194] [2. 2. L填充元素种类]
[0195] 在本实施方案中,填充元素 R由以下组成:
[0196] (1)由Mg以外的碱土金属元素(Ca、Sr和Ba)构成的填充元素 A,
[0197] (2)由稀土元素(Y、Sc和La~Lu)构成的填充元素 B,
[0198] (3)由IIIB族元素(Al、Ga和In)构成的填充元素 C,以及
[0199] (4)由Fe以外的过渡金属元素(Zn和Ti)和稀土元素构成的填充元素 D。
[0200] 在本实施方案中,η型热电材料含有总计六种以上的填充元素 A~D。一般来讲, 热电性能随着填充元素 R种类的增加而提高。填充元素 R的种类优选为七种以上,更优选 八种以上。
[0201] 此外,在本实施方案中,优选地,η型热电材料至少含有两种以上碱土金属元素 (Ba、Α')、两种以上稀土元素(Yb、B')和两种以上IIIB族元素(In、(Ga,Al))作为填充元 素 R。在这些情况中,除Ba、Yb和In以外,可根据用途选择填充元素 R的最佳元素。
[0202] [2. 2. 2.填充元素的量]
[0203] 在式(X')中,"a"表示填充元素 A的量(原子比率)。热电性能随着填充元素的 A量地增加而提高。特别地,元素 A有助于电导率〇的提高。在特定范围内,电导率〇随 元素 A的量地增加而变的更高。结果,功率因数PF和ZT提高。为了实现这样的效果,"a" 优选为a彡0. 1。
[0204] 相反地,当填充元素 A的量过大,变得难以同时实现功率因数PF的增加和热导率 κ的降低。特别地,因为电导率σ变得太高,所以热导率κ的载体成分增加,因此ZT降 低。因此,"a"优选为a彡0. 3,且更优选为a彡0. 2。
[0205] 在式(X')中,"b"表示填充元素 B的量(原子比率)。热电性能随着填充元素 B 量的增加而提高。特别地,元素 B适当地提高电导率〇,并且有效地降低热导率κ。为了 实现这样的效果,"b"优选为b彡0. 1,"b"更优选为b彡0. 2。
[0206] 相反地,当填充元素 B的量过大时,变得难以同时实现功率因数PF的增加和热导 率κ的降低。因此,"b"优选为b彡0.6,且更优选为0.5。
[0207] 在式(X')中,"c"表示填充元素 C的量(原子比率)。热电性能随着填充元素 C 量的增加而提高。特
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