專利名稱：全陶瓷熱電發(fā)電模塊的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種全陶瓷熱電發(fā)電模塊。
背景技術：
人類社會的發(fā)展伴隨著能源消耗的增加，煤、石油、天然氣等不可再生能源正在日益減少。同時因化石燃料的大量應用造成環(huán)境惡化、能源日益危機。因此開發(fā)新型綠色環(huán)保能源成為迫切需求。熱電材料是一種利用固體內(nèi)部載流子運動直接實現(xiàn)熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料?；诓煌芰哭D(zhuǎn)換過程，熱電材料可以用于熱電發(fā)電和熱電制冷兩大領域。利用熱電發(fā)電裝置具有結構緊湊、可靠性高，工作時無噪音、壽命長、無污染等優(yōu)點，其應用范圍可以涉及到民用、軍用和航空航天等諸多領域。具有如此優(yōu)勢的熱電發(fā)電將在未來綠色新能源中占有重要位置。熱電發(fā)電模塊是熱電發(fā)電裝置中的最基本單元。熱電發(fā)電模塊是由發(fā)電組件、電極及導熱板構成。目前熱電發(fā)電組件主要利用性能較好的傳統(tǒng)合金材料，如Bi2Te3，PbTe， SiGe等體系。合金熱電模塊由于轉(zhuǎn)換效率較高、工藝成熟，已經(jīng)在太空探索等特殊領域得到了應用。但是合金器件的應用依然存在很多問題。如由于含有稀有金屬元素等造成器件成本過高不利于商業(yè)化進程，在潮濕的環(huán)境中易氧化從而導致接觸電阻變大、器件性能不穩(wěn)定，因高溫下器件材料中的重金屬元素揮發(fā)易造成重金屬污染和中毒。這些實際應用問題成為合金熱電發(fā)電模塊發(fā)展的一大障礙。因此，迫切開發(fā)一種新型熱電發(fā)電模塊，既是綠色環(huán)保器件又能降低器件成本。陶瓷熱電發(fā)電模塊即為一種新型熱電發(fā)電裝置的基本單元。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的就是為解決上述問題，提出一種全陶瓷熱電發(fā)電模塊，它首次提出了由全陶瓷組件構成熱電發(fā)電模塊的概念，并成功組裝了全陶瓷熱電發(fā)電模塊，實現(xiàn)了器件自身及使用過程的綠色環(huán)保和低成本。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術方案一種全陶瓷熱電發(fā)電模塊，它包括至少一個全陶瓷導電單元，該單元包括一個作為基體的導電陶瓷，在導電陶瓷的兩端分別通過錫焊固連P型陶瓷Bi:CC0和N型陶瓷 Y:ST0，構成π型全陶瓷熱電發(fā)電模塊。所述全陶瓷導電單元有多個，相鄰單元的P型陶瓷Bi CCO和N型陶瓷Y STO間通過另一導電陶瓷錫焊固連。一種全陶瓷熱電發(fā)電模塊的制備方法，它的步驟為1) P 型 Ca2.7Bi0.3Co409 (Bi CC0)陶瓷的制備利用傳統(tǒng)的固相反應方法制備Bi:CC0(Ca2.7Bia3CO409)陶瓷，其起始原料采用分析化學試劑純度99. 8%的Bi203、99%純度的Co203、99%純度的CaCO3 ；三種原料的摩爾比分別為3 40 54;按化學計量比稱量配料；2) N 型 Y。. !Sr0. JiO3 (Y ST0)的制備[0012]通過傳統(tǒng)的固相反應方法制備Y:ST0陶瓷樣品，其原始原料采用分析化學試劑 純度99% SrC03、99. 8% 1102和99. 9% Y2O3,三種原料的摩爾比為16 20 1，按化學計量比稱量配料；3)將P型陶瓷和N型陶瓷制成長方體，將導電陶瓷制成長方形，然后將P型陶瓷和 N型陶瓷的最小面積端分別錫焊在導電陶瓷兩端即完成Π型全陶瓷熱電發(fā)電模塊的制備。所述步驟1)中，以酒精為磨介，球磨10_14h ；將干粉末后在900-940°C下保溫 10-14h預燒合成；將預燒合成料粉碎研磨，再進行10-14h球磨；將漿料烘干后加入粘合劑造粒，在630-670°C下排膠.在空氣中940-980°C燒結10_14h，制備出Bi: CCO陶瓷。所述步驟2)中，以酒精為磨介，球磨10_14h，漿料烘干后在空氣中1330_1370°C下保溫4-8h預燒合成；將預燒大片進行粉碎研磨，再進行10-14h球磨；將漿料烘干后加入粘合劑造粒，在630-670°C下排膠.在還原氣氛下1440-1480°C燒結3-5h，制備出Y: STO熱電陶瓷。所述還原氣氛采用體積比為3-7% H2和97-93% Ar。所述P型陶瓷和N型陶瓷的最小面積端分別涂有銀膠。本實用新型的有益效果是(1)選用的原材料低成本，來源廣，制備工藝簡單，容易實現(xiàn)大規(guī)模應用。(2)用陶瓷發(fā)電組件和陶瓷電極材料取代重元素合金組件及貴金屬電極材料，實現(xiàn)模塊全陶瓷化。(3)全陶瓷熱電發(fā)電器件具有耐高溫、不易氧化、高溫性能穩(wěn)定等優(yōu)點。(4)整個模塊不含有重金屬，模塊的生產(chǎn)和使用都不產(chǎn)生重金屬污染，實現(xiàn)了材料及器件自身的制備及使用過程的綠色環(huán)保。

圖1為本實用新型的結構示意圖。圖2為P型Bi CCO的室溫XRD圖譜；圖3為N型Y STO的室溫XRD圖譜；圖4為P型Bi CCO的電阻率和Seebeck系數(shù)隨溫度變化；圖5為N型Y: STO的電阻率和Seebeck系數(shù)隨溫度變化；圖6為不同溫度差時發(fā)電模塊的開路電壓。其中，1.導電陶瓷，2. P型陶瓷，3. N型陶瓷，4.氧化鋁板。
具體實施方式
以下結合附圖與實施例對本實用新型做進一步說明。圖1中，是全陶瓷熱電模塊的最基本單元，該單元包括一個作為基體的導電陶瓷 1，在導電陶瓷1的兩端分別通過錫焊固連P型陶瓷2Bi CCO和N型陶瓷3Y: ST0，構成Π型全陶瓷熱電發(fā)電模塊的最小單元。所述全陶瓷模塊的單元有多個，相鄰單元的P型陶瓷2Bi:CC0和N型陶瓷3Y:ST0 間通過另一導電陶瓷1錫焊固連。導電陶瓷1的外部設有一層氧化鋁板4。實施例1 本實用新型的制備方法為 1) P 型 Ca2.7Bi0.3Co409 (Bi CC0)的制備[0032]利用傳統(tǒng)的固相反應方法制備Bi:CC0陶瓷樣品。起始原料采用分析化學試劑 Bi2O3(純度99.8% )、Co2O3(純度99% )、CaCO3(純度99% )，三種原料的摩爾比分別為 3 40 54;按化學計量比稱量配料；，以酒精為磨介，球磨10h。將干粉末后在900°C下保溫IOh預燒合成。將預燒合成料粉碎研磨，再進行IOh球磨。將漿料烘干后加入粘合劑造粒，然后壓成直徑為25mm，厚度為2mm的圓片，在630°C下排膠.在空氣中940°C燒結10h， 制備出Bi:CCO陶瓷組件。2) N 型 Y0.符0. JiO3 (Y ST0)的制備通過傳統(tǒng)的固相反應方法制備Y:ST0陶瓷樣品。起始原料采用分析化學試劑 SrCO3(純度99% TiO2 (99. 8% )和Y2O3(純度99. 9% )，三種原料的摩爾比分別為 3 40 54;按化學計量比稱量配料；，以酒精為磨介，球磨10h。漿料烘干后壓成直徑為 25mm，厚度約為4mm的大片，然后在空氣中1330°C下保溫4h預燒合成。將預燒大片進行粉碎研磨，再進行IOh球磨。將漿料烘干后加入粘合劑造粒，然后壓成直徑為25mm，厚度為2mm 的圓片，在630°C下排膠.在還原氣氛下(體積比為3%吐，97%410 14401燒結311，制備出Y:ST0熱電陶瓷組件。3)全陶瓷發(fā)電模塊的構建為了構建π型全陶瓷熱電發(fā)電模塊，將制備好的P型Bi:CC0和N型Y:ST0切割成30mmX IOmmX5mm。充當導電電極Y:ST0陶瓷被切割成35mmX 15mmX 1. 5mm。將P、N型長方體的兩個最小面積的部分涂抹上銀膠，同時在導電陶瓷樣品的兩端涂抹上銀膠。涂抹銀膠的主要目的是為了更好的接觸，最大限度的減少接觸電阻率。利用焊錫將P、N型長方體陶瓷和導電陶瓷粘結在一起。最后完成了全陶瓷熱電發(fā)電模塊的構建。組件及模塊的測試P、N型組件的晶體結構由XRD表征。每個組件的電阻率和Seebeck系數(shù)隨溫度的變化由實驗室自制電學設備測量得到。對于模塊的測試，始終讓其中一端處在冰水混合物的溫度狀態(tài)，高溫度利用加熱絲升溫，構造一個有高溫端決定的溫度差。在溫度差從0到 423K的范圍內(nèi)，利用萬用表測量出模塊的內(nèi)阻Rin和開路電壓％。在0-432K的溫差下中測試了全陶瓷熱電發(fā)電模塊的開路電壓。全陶瓷熱電發(fā)電模塊示意圖，實物圖，P、N型組件的XRD圖譜如圖2、圖3所示、熱電性能如圖4、圖5所示， 發(fā)電模塊的開路電壓等如圖6所示。實施例2 本實用新型的制備方法為1) P 型 Ca2.7Bi0.3Co409 (Bi CC0)的制備利用傳統(tǒng)的固相反應方法制備Bi:CC0陶瓷樣品。起始原料采用分析化學試劑 Bi2O3(純度99.8% )、Co2O3(純度99% )、CaCO3(純度99% )，三種原料的摩爾比分別為 3 40 54;按化學計量比稱量配料；，以酒精為磨介，球磨12h。將干粉末后在930°C下保溫12h預燒合成。將預燒合成料粉碎研磨，再進行12h球磨。將漿料烘干后加入粘合劑造粒，然后壓成直徑為28mm，厚度為3mm的圓片，在650°C下排膠.在空氣中960°C燒結12h， 制備出Bi:CCO陶瓷組件。2) N 型 Y0.符0. JiO3 (Y ST0)的制備通過傳統(tǒng)的固相反應方法制備Y:ST0陶瓷樣品。起始原料采用分析化學試劑SrCO3(純度99% TiO2 (99. 8% )和Y2O3(純度99. 9% )，三種原料的摩爾比分別為 3 40 54;按化學計量比稱量配料；，以酒精為磨介，球磨12h。漿料烘干后壓成直徑為 28mm，厚度約為5mm的大片，然后在空氣中1350°C下保溫6h預燒合成。將預燒大片進行粉碎研磨，再進行12h球磨。將漿料烘干后加入粘合劑造粒，然后壓成直徑為28mm，厚度為3mm 的圓片，在650°C下排膠.在還原氣氛下(體積比為5%!12，95%410 14601燒結411，制備出Y:ST0熱電陶瓷組件。3)全陶瓷發(fā)電模塊的構建為了構建π型全陶瓷熱電發(fā)電模塊，將制備好的P型Bi:CC0和N型Y:ST0切割成30mmX IOmmX5mm。充當導電電極Y:ST0陶瓷被切割成35mmX 15mmX 1. 5mm。將P、N型長方體的兩個最小面積的部分涂抹上銀膠，同時在導電陶瓷樣品的兩端涂抹上銀膠。涂抹銀膠的主要目的是為了更好的接觸，最大限度的減少接觸電阻率。利用焊錫將P、N型長方體陶瓷和導電陶瓷粘結在一起。最后完成了全陶瓷熱電發(fā)電模塊的構建。組件及模塊的測試P、N型組件的晶體結構由XRD表征。每個組件的電阻率和Seebeck系數(shù)隨溫度的變化由實驗室自制電學設備測量得到。對于模塊的測試，始終讓其中一端處在冰水混合物的溫度狀態(tài)，高溫度利用加熱絲升溫，構造一個有高溫端決定的溫度差。在溫度差從0到 423K的范圍內(nèi)，利用萬用表測量出模塊的內(nèi)阻Rin和開路電壓％。在0-432K的溫差下中測試了全陶瓷熱電發(fā)電模塊的開路電壓。全陶瓷熱電發(fā)電模塊示意圖，實物圖，P、N型組件的XRD圖譜如圖2、圖3所示、熱電性能如圖4、圖5所示， 發(fā)電模塊的開路電壓等如圖6所示。實施例3:本實用新型的制備方法為1) P 型 Ca2.7Bi0.3Co409 (Bi CC0)的制備利用傳統(tǒng)的固相反應方法制備Bi:CC0陶瓷樣品。起始原料采用分析化學試劑 Bi2O3(純度99.8% )、Co2O3(純度99% )、CaCO3(純度99% )，三種原料的摩爾比分別為 3 40 54;按化學計量比稱量配料；，以酒精為磨介，球磨14h。將干粉末后在940°C下保溫14h預燒合成。將預燒合成料粉碎研磨，再進行14h球磨。將漿料烘干后加入粘合劑造粒，然后壓成直徑為30mm，厚度為4mm的圓片，在670°C下排膠.在空氣中980°C燒結14h， 制備出Bi:CCO陶瓷組件。2) N 型 Y0.符0. JiO3 (Y ST0)的制備通過傳統(tǒng)的固相反應方法制備Y:ST0陶瓷樣品。起始原料采用分析化學試劑 SrCO3(純度99% TiO2 (99. 8% )和Y2O3(純度99. 9% )，三種原料的摩爾比分別為 3 40 54;按化學計量比稱量配料；，以酒精為磨介，球磨14h。漿料烘干后壓成直徑為 30mm，厚度約為6mm的大片，然后在空氣中1370°C下保溫8h預燒合成。將預燒大片進行粉碎研磨，再進行14h球磨。將漿料烘干后加入粘合劑造粒，然后壓成直徑為30mm，厚度為4mm 的圓片，在670°C下排膠.在還原氣氛下(體積比為7%吐，93%410 14801燒結511，制備出Y:ST0熱電陶瓷組件。3)全陶瓷發(fā)電模塊的構建為了構建π型全陶瓷熱電發(fā)電模塊，將制備好的P型Bi:CC0和N型Y:ST0切割成30mmX IOmmX5mm。充當導電電極Y:ST0陶瓷被切割成35mmX 15mmX 1. 5mm。將P、N型長方體的兩個最小面積的部分涂抹上銀膠，同時在導電陶瓷樣品的兩端涂抹上銀膠。涂抹銀膠的主要目的是為了更好的接觸，最大限度的減少接觸電阻率。利用焊錫將P、N型長方體陶瓷和導電陶瓷粘結在一起。最后完成了全陶瓷熱電發(fā)電模塊的構建。組件及模塊的測試P、N型組件的晶體結構由XRD表征。每個組件的電阻率和Seebeck系數(shù)隨溫度的變化由實驗室自制電學設備測量得到。對于模塊的測試，始終讓其中一端處在冰水混合物的溫度狀態(tài)，高溫度利用加熱絲升溫，構造一個有高溫端決定的溫度差。在溫度差從0到 423K的范圍內(nèi)，利用萬用表測量出模塊的內(nèi)阻Rin和開路電壓％。在0-432K的溫差下中測試了全陶瓷熱電發(fā)電模塊的開路電壓。全陶瓷熱電發(fā)電模塊示意圖，實物圖，P、N型組件的XRD圖譜如圖2、圖3所示、熱電性能如圖4、圖5所示， 發(fā)電模塊的開路電壓等如圖6所示。本實用新型成功構建了以P型Bi :CC0、N型及導電陶瓷Y: STO組件的全陶瓷熱電發(fā)電模塊，初步驗證了此設想的可行性，是熱電發(fā)電模塊中的一個創(chuàng)新。對設計的全陶瓷熱電發(fā)電模塊進行了測試，并得到了最大開路電壓為37mV，最大輸出功率為1.03yW。
權利要求1.一種全陶瓷熱電發(fā)電模塊，其特征是，它包括至少一個全陶瓷導電單元，該單元包括一個作為基體的導電陶瓷，在導電陶瓷的兩端分別通過錫焊固連P型陶瓷Bi CCO和N型陶瓷Y ST0，構成Γ1型全陶瓷熱電發(fā)電模塊。
2.如權利要求1所述的全陶瓷熱電發(fā)電模塊，其特征是，所述全陶瓷導電單元有多個， 相鄰單元的P型陶瓷Bi :CC0和N型陶瓷Y: STO間通過另一導電陶瓷錫焊固連。
專利摘要本實用新型涉及一種全陶瓷熱電發(fā)電模塊，它首次提出了全陶瓷熱電發(fā)電模塊的思路，實現(xiàn)了自身及使用過程的綠色環(huán)保和低成本。全陶瓷熱電模塊的最基本單元包括一個作為基體的導電陶瓷，在導電陶瓷的兩端分別通過錫焊固連P型陶瓷Bi:CCO和N型陶瓷Y:STO，構成型全陶瓷熱電發(fā)電模塊。本實用新型得到了最大開路電壓為37mV，最大輸出功率為1.03μW。
文檔編號H01L35/18GK202019001SQ20112002883
公開日2011年10月26日 申請日期2011年1月28日 優(yōu)先權日2011年1月28日
發(fā)明者劉劍, 梅良模, 王春雷, 王洪超, 蘇文斌 申請人:山東大學