基于连续成分块材的高通量热电性能表征方法及其应用

摘要

本发明公开了一种基于连续成分块材的高通量热电性能表征方法及其应用，利用一个连续成分块体作为材料数据库，分别利用电导率‑塞贝克系数扫描探针显微镜和快速热成像技术，获得电学和热学性能的空间分布数据和图像，继而经过计算机处理得到热电优值的空间分布数据和图像，实现高性能热电材料的快速筛选。该技术有望数十倍甚至上百倍地缩热电料的研发周期。

说明书

技术领域

本发明涉及一种材料的物理性能快速检测方法和应用，特别是涉及一种成分梯度材料的物理性能快速检测方法和应用，应用于非均质材料的性能表征和非均质材料成分快速筛选技术领域。

背景技术

高通量制备和表征技术有望数十倍甚至上百倍地缩短材料的研发周期，从而为无机材料研发带来革命性的创新变化。热电材料基于塞贝克效应和帕尔贴效应实现电能和热能的相互转换，即通入电流制冷、利用温差发电。热电转换技术具有环保和可靠的优点，热电转换技术无排放，无噪音，无运动部件，无损耗，具有很好的应用前景。目前其大规模应用的瓶颈是能量转换效率低，而优化热电材料本身的热电性能是提高热电技术能量转换效率的关键。热电材料的性能可以利用无量纲优值ZT衡量，ZT=S²σT/κ，其中，T，S，σ，κ分别是温度，材料的塞贝克系数、电导率和热导率。高性能热电材料具有高的塞贝克系数、电导率和低的热导率；因此，热电材料的筛选和性能表征主要是关注这三个参数。传统的热电材料研究途径是合成单个或几个样品，分别进行热电参数的表征。

热电材料的快速筛选和高通量研究，除了通过理论方法进行高通量计算预测外，主要涉及到热电材料的高通量制备和高通量表征。R. Funahashi等人利用液相前驱体喷印结合溶胶凝胶的技术，制备了1000种组分的氧化物热电材料，单个材料呈现条状的薄膜形态，并利用自制的测试设备逐个进行电学性能的表征（R. Funahashi et al. Applied Surface Science 223 (2004) 44–48；MeasurementScience and Technology 16 (2005) 70–80）。这种方法存在两个问题，一是表征还是逐个样品进行，筛选效率低，二是样品处于薄膜形态，不是实际应用的块材，且薄膜的热导率测量仍然有较高难度。

连续成分无机块体作为一种高通量热电表征对象则鲜有报道，目前主要是将其应用在能源器件、传感器、轻质合金、耐腐蚀材料和生物医用材料等领域，其性能在某些情形下超越单相均质材料。关于连续成分无机块体材料的理论研究最早开展于上世纪70年代，但由于相关材料制备技术的缺乏，实验的研究受到制约。近些年来，连续成分块体制备技术获得一些进展。连续成分无机块体材料的制备通常分为梯度化和致密化两个过程；而制备技术则可以大致分为堆积和输运两种。在堆积技术中，原料经计算机自动控制，按不同成分梯度，层层堆积，再进行致密化；在输运技术中，原料在物质输运过程中利用温度梯度等因素形成连续成分块体材料。具体的制备方法则包括：粉末冶金法、自蔓延高温合成、气相沉积、电沉积和等离子喷涂等，如专利CN100404174C，CN102350566B分别公开了一种梯度成分样品的快速制备方法。虽然在连续成分块体材料制备技术取得一定进展，但在材料的检测方法效率还不够理想，不能适应连续成分块体材料的开发过程的快速成分筛查需要。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于连续成分块材的高通量热电性能表征方法及其应用，本发明以连续成分块体材料作为对象，通过扫描探针显微镜和快速热成像技术，分别获得不同成分材料的电学和热学性能，从而实现热电性能的高通量表征。

为达到上述发明创造目的，采用下述技术方案：

一种基于连续成分块材的高通量热电性能表征方法，包括如下步骤：

a．以连续成分块体材料作为检测对象，将连续成分块体材料沿径向剖出薄片，然后利用电导率-塞贝克系数扫描探针显微镜对薄片进行快速逐点扫描，得到薄片的电导率、塞贝克系数的空间分布数据，并构建薄片的电导率、塞贝克系数的空间分布图谱；

b．以连续成分块体材料作为检测对象，将连续成分块体材料沿径向剖出薄片，再将整个薄片切割成一系列网格分布式小方块薄片，使任意相邻的小方块薄片之间不互相接触，形成网格状阵列样品，然后利用快速热成像装置，对网格状阵列样品进行热导率测量，得到整个薄片的热导率的空间分布数据，并构建薄片的热导率的空间分布图谱；作为本发明优选的技术方案，利用掩模、光刻和离子轰击中任意一种方法或者任意几种方法将薄片制作成网格状阵列样品，然后将网格状阵列样品放置于均匀加热板上，并在网格状阵列样品和均匀加热板之间涂有导热胶，对网格状阵列样品底面的温度进行均匀设置，然后利用红外快速热成像系统测量网格状阵列样品的上表面温度分布数据，绘制网格状阵列样品上表面的温度-时间曲线，通过计算求得各个小方块薄片的热导率，从而得到整个薄片的上表面温度分布数据；热导率测量时，考虑到面内传导问题，因此通过切割成网格状阵列样品避免该问题，通过快速热成像，可以把热导率的空间分布构建出来；

c．利用计算机，将在步骤a和步骤b中检测的电导率、塞贝克系数和热导率的空间分布数据进行关联对应并进行整合分析计算，得到对应不同的温度条件下的薄片的热电优值的空间分布数据，并构建薄片的热电优值的空间分布图谱，以对薄片的高通量热电性能表征数据作为连续成分块材的高通量热电性能表征数据，并结合薄片的材料组分空间分布数据，构建连续成分块体材料的热电性能数据数据库。

作为本发明优选的技术方案，在步骤a和步骤b中，作为高通量热电性能表征检测对象的连续成分块体材料为无机材料。

作为本发明进一步优选的技术方案，在步骤a和步骤b中，作为高通量热电性能表征检测对象的连续成分块体材料为无机热电材料。

一种本发明基于连续成分块材的高通量热电性能表征方法的应用，根据连续成分块材的高通量热电性能表征方法得到的热电性能数据数据库的数据，自动筛选出连续成分块材的最佳的材料组分。利用计算机将电导率、塞贝克系数和热导的空间分布数据整合分析，得到整体热电优值的空间分布，自动筛选出最佳的组分。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明利用一个连续成分块体作为材料数据库，分别利用电导率-塞贝克系数扫描探针显微镜和快速热成像技术，获得电学和热学性能的空间分布数据和图像，继而经过计算机处理得到热电优值的空间分布数据和图像，实现高性能热电材料的快速筛选，本发明有望数十倍甚至上百倍地缩热电料的研发周期；

2.本发明进行热导率测量时，考虑到面内传导问题，因此通过切割成网格状阵列样品避免该问题，通过快速热成像，能将热导率的空间分布构建出来。

附图说明

图1为实施本发明实施例一基于连续成分块材的高通量热电性能表征方法流程示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1，将三种元素M、N、R通过自动控制进料多反应合成室，控制原料中R的含量，通过脉冲电流或激光点火，制备出连续成分样品M_aN_b-cR_c，c沿着轴向从0至b变化。利用线切割将样品沿着径向剖两次，得到100mm*50mm的薄片。以薄片作为检测对象，将薄片放置于电导率-塞贝克系数扫描探针显微镜，然后利用电导率-塞贝克系数扫描探针显微镜对薄片进行快速逐点扫描，得到薄片的电导率、塞贝克系数的空间分布数据，并构建薄片的电导率、塞贝克系数的空间分布图谱。测完后，利用掩模、光刻和离子轰击方法将薄片制作成由1250块2mm*2mm的小方块薄片组成的网格状阵列样品，将整个薄片切割成一系列网格分布式小方块薄片，使任意相邻的小方块薄片之间不互相接触，形成网格状阵列样品，然后将网格状阵列样品放置于钛酸铝陶瓷（Al₂TiO₅）制成的框架式均匀加热板上，并在网格状阵列样品和均匀加热板之间涂有导热胶，对网格状阵列样品底面用脉冲光源照射，实现对网格状阵列样品底面的温度进行均匀设置，然后利用红外快速热成像系统测量网格状阵列样品的上表面温度分布数据，绘制网格状阵列样品上表面的温度-时间曲线，通过闪光法原理获得热导率，即通过计算求得各个小方块薄片的热导率，从而得到整个薄片的上表面温度分布数据；热导率测量时，考虑到面内传导问题，因此通过切割成网格状阵列样品避免该问题，通过快速热成像，得到整个薄片的热导率的空间分布数据，并构建薄片的热导率的空间分布图谱，将热导率的空间分布构建出来。利用计算机，将已经检测的电导率、塞贝克系数和热导率的空间分布数据进行关联对应并进行整合分析计算，得到对应不同的温度条件下的薄片的热电优值的空间分布数据，并构建薄片的热电优值的空间分布图谱，以对薄片的高通量热电性能表征数据作为连续成分块材的高通量热电性能表征数据，并结合薄片的材料组分空间分布数据，构建连续成分块体材料的热电性能数据数据库。本实施例通过计算机将热电优值的数据和空间分布计算出来，自动筛选出最佳的材料组分，即M_aN_b-cR_c的c值。本实施例得到连续成分样品M_aN_b-cR_c热电性能数据数据库的数据，自动筛选出连续成分样品M_aN_b-cR_c块材的最佳的材料组分。

在本实施例中，参见图1，本实施例利用一个连续成分块体作为材料数据库，分别利用电导率-塞贝克系数扫描探针显微镜和快速热成像技术，获得电学和热学性能的空间分布数据和图像，继而经过计算机处理得到热电优值的空间分布数据和图像，实现高性能热电材料的快速筛选。该技术有望数十倍甚至上百倍地缩热电料的研发周期。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，将热电化合物原料A和掺杂原料D的粉末通过自动控制进料系统，形成梯度化堆积，其中x沿着轴向从0到x_max变化，并利用放电等离子烧结成连续成分块体D_xA，其中A为化合物，D为掺杂元素。利用金刚石刀沿径向切割出薄片，利用探针扫描得到电导率和塞贝克系数的空间数据，并得到图像。然后，利用掩模、光刻和离子轰击的方法将薄片制作成网格状阵列样品，放置于均匀加热板上，中间涂有导热胶，利用红外快速热成像系统测量上表面温度分布，温度越低表示热导越小。最终筛选出最佳电学性质和最低热导的组分，得到x的最优值。本实施例利用连续成分无机块体实现高通量的热电性能表征，实现高性能热电材料的快速筛选。

上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基于连续成分块材的高通量热电性能表征方法及其应用的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。