專利名稱：基于氧化錫的熱電材料的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及摻雜的基于錫的氧化物以及它們作為熱電材料的用途，特別是在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域的用途。
背景技術(shù)：
粗略來(lái)說(shuō)，制造業(yè)消耗的1/3的能量是作為熱損失排放到大氣或者冷卻系統(tǒng)中。這些排放是由于工藝效率低下以及制造工廠無(wú)法利用多余能量所造成的結(jié)果。認(rèn)為一部分的廢熱可用于廢熱回收，考慮熱電技術(shù)來(lái)回收工業(yè)過(guò)程廢能量并將其轉(zhuǎn)化為有用電能。熱電材料發(fā)現(xiàn)于1821年，它們是半導(dǎo)體固體，當(dāng)連接到一起并在接頭處設(shè)置溫差時(shí)，可產(chǎn)生電流。從根本上說(shuō)，熱電性涉及所謂的塞貝克和帕爾貼效應(yīng)(Seebeck andPeltier effects)。這些效應(yīng)中的第一個(gè)效應(yīng)產(chǎn)生于某些材料的性質(zhì),這種性質(zhì)是在處于熱梯度AT (用開爾文度數(shù)表示)的固體末端之間產(chǎn)生電勢(shì)V (用伏特表示)。塞貝克系數(shù)是這種誘導(dǎo)電勢(shì)的量度，通過(guò)以下方程式表示:
S=V/ Δ T通常用μν/Κ表示。塞貝克系數(shù)可以是正值(P材料)或負(fù)值(η材料)，取決于固體中載荷子的性質(zhì)和遷移率。這種性質(zhì)一般用來(lái)從熱源收集電能。帕爾貼效應(yīng)是相反的現(xiàn)象，即在處于電勢(shì)下的材料中產(chǎn)生溫度梯度。它一般用于冷卻設(shè)備。對(duì)于能量生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，幾對(duì)η材料和P材料通常必須串聯(lián)組裝，以產(chǎn)生用于所需應(yīng)用的足夠電壓。從材料的角度看，制造有效的熱電發(fā)電機(jī)所需的性質(zhì)是:-高塞貝克S絕對(duì)值，為了得到顯著的電壓，ρ(+)材料或η(_)材料都是如此；-高電導(dǎo)率σ，以輸送足夠的強(qiáng)度；-低熱導(dǎo)率K，以在得到電壓的源頭維持熱梯度。為了綜合表達(dá)對(duì)前述三種參數(shù)的要求，可用以下形式表達(dá)材料的性能系數(shù)(ZT):
權(quán)利要求
1.一種熱電材料，其包含化學(xué)式為Sn1^ZnxMyO2的氧化物基質(zhì)，該氧化物基質(zhì)中分散有ZnSn2O4區(qū)域，其中: M是選自1；和他的金屬，以及 X和y分別表示Zn和M的重量百分?jǐn)?shù)，x和y分別都不是0，并且0.76 ( Ι-χ-y < 0.99。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電材料，其特征在于，以所述材料的總重計(jì)，其中所述ZnSn2O4的含量范圍約為1-25重量％，優(yōu)選約為5-20重量％。
3.如權(quán)利要求1所述的熱電材料，該熱電材料可通過(guò)包括如下步驟的方法獲得: a)制備包含約85-95重量％Sn02、約2.5-15重量％ZnO以及約0.05-5重量％M205的混合物，其中M的定義同權(quán)利要求1，應(yīng)理解Sn02、ZnO和M2O5的含量總和為100% ； b)在約為1000-1400°C，優(yōu)選約為1200-1400° C的溫度范圍燒結(jié)所得混合物。
4.如權(quán)利要求3所述的熱電材料，其特征在于，步驟a)中的混合物包含約90-95重量％Sn02、約5-10重量％ZnO以及約0.1-2重量％M205，應(yīng)理解Sn02、ZnO和M2O5的含量總和為 100%ο
5.如權(quán)利要求4所述的熱電材料，其特征在于，在步驟a)中向Sn02、Zn0和M2O5的混合物加入成孔劑，其中，所述成孔劑與混合的氧化物的重量比在約5/95至約15/85的范圍內(nèi)。
6.如權(quán)利要求5所述的熱電材料，其特征在于，所述成孔劑的粒徑范圍約為IOOnm至約100 μ m，優(yōu)選約為 5-70 μ m。
7.如權(quán)利要求5中任 一項(xiàng)所述的熱電材料，其特征在于，在燒結(jié)前將所述氧化物與成孔劑的混合物壓制成球粒。
8.一種制備熱電材料的方法，所述方法包括以下步驟: a)制備包含約85-95重量％Sn02、約2.5-15重量％ZnO以及約0.05-5重量％M205的混合物，其中M是選自Ta和Nb的金屬，應(yīng)理解Sn02、ZnO和M2O5的含量總和為100% ； b)在約為1000-1400°C，優(yōu)選約為1200-1400° C的溫度范圍燒結(jié)所得混合物。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在步驟a)中向Sn02、Zn0和M2O5的混合物加入成孔劑，其中，所述成孔劑與混合的氧化物的重量比在約5/95至約15/85的范圍內(nèi)。
10.一種熱電裝置，其包含權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的熱電材料。
11.一種包含熱電材料的熱電裝置，所述熱電材料包含化學(xué)式為Sn1TyZnxMyO2的氧化物基質(zhì)，該氧化物基質(zhì)中分散有ZnSn2O4區(qū)域，其中: M是選自Ta和Nb的金屬，以及 X和y分別表示Zn和M的重量百分?jǐn)?shù)，x和y分別都不是0，并且0.76 ( Ι-χ-y < 0.99。
12.如權(quán)利要求11所述的熱電裝置，其特征在于，以所述材料的總重計(jì)，其中所述ZnSn2O4的含量范圍約為1-25重量％，優(yōu)選約為5_20重量％。
13.如權(quán)利要求11所述的熱電裝置在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)廢熱回收中的用途。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包含與選自Ta和Nb的金屬摻雜的鋅基和錫基氧化物的熱電材料。本發(fā)明還涉及包含此類熱電材料的熱電裝置及其廢熱回收用途。
文檔編號(hào)C04B35/457GK103180263SQ201180051384
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2011年10月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者M·納薩拉利 申請(qǐng)人:康寧股份有限公司