[摘 要] 熱電材料由于在熱電轉(zhuǎn)換方面的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而備受人們關(guān)注。Bi2Te3基材料熱電性能較好，但是機(jī)械性能較差。為了增加材料的成型率，減小加工損耗，對(duì)不同熱壓溫度下熱電材料的壓制情況進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熱壓溫度越低，樣品成型率越低。并且加壓速度過(guò)快，使粉體材料里面的大量氣泡被包裹在材料里面，不能及時(shí)排出，降低材料的致密度，也是導(dǎo)致材料不能成型的原因之一。又研究了相同熱壓溫度下，保壓結(jié)束后，降溫降壓順序?qū)悠烦尚偷挠绊?，?shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)采取先降壓后降溫的方式可以增加樣品的成型率，這種方式有效地降低了樣品脫模時(shí)的彈性后效。

[關(guān) 鍵 詞] 熱電材料；熱壓溫度；機(jī)械性能；致密度

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2016）10-0014-02

熱電材料是一種能夠?qū)崿F(xiàn)熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的材料，由于在制冷和發(fā)電領(lǐng)域有著極為重要的應(yīng)用前景，使其備受關(guān)注。

近年來(lái)，由于氟利昂對(duì)環(huán)境的破壞作用已被人們普遍認(rèn)識(shí)，制造無(wú)污染、無(wú)噪聲的制冷機(jī)成了制冷技術(shù)追求的目標(biāo)。同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、航天技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，迫切需要小型靜態(tài)制冷且能固定安裝的長(zhǎng)壽命的制冷裝置，如核潛艇反應(yīng)堆冷卻裝置、電腦芯片冷卻器、便攜式冷卻箱等。熱電材料正是由于其在低品位能源（如工業(yè)余熱、地?zé)?、太?yáng)能等）利用及環(huán)境保護(hù)等方面的特殊功能，在各國(guó)受到高度重視。此外，由于熱電理論的發(fā)展和對(duì)熱電材料實(shí)驗(yàn)研究的不斷深入，熱電學(xué)研究也顯示出了更為廣泛的應(yīng)用前景，國(guó)際上正掀起一股強(qiáng)勁的熱電材料研究熱潮。

Bi2Te3基熱電材料是研究最早也是目前發(fā)展最為成熟的熱電材料之一。Bi2Te3基材料雖然熱電性能較好，但是它容易解理，機(jī)械性能較差，導(dǎo)致加工過(guò)程中損耗較大，增加了器件的生產(chǎn)成本。熱壓成型方法是提高材料機(jī)械性能的有效方法之一。熱壓就是把壓制成型和燒結(jié)同時(shí)進(jìn)行的一種工藝方法，它可以改變晶粒內(nèi)部的原子間距，從而增加材料的致密度。在材料制備過(guò)程中，溫度和壓力是兩個(gè)重要工藝參數(shù)，不但影響材料的力學(xué)性能，還可以改變物質(zhì)內(nèi)部原子間的距離、能帶結(jié)構(gòu)以及多晶材料的微觀結(jié)構(gòu)等，從而有效地改變材料的物理化學(xué)性質(zhì)。綜上所述，為了增加Bi2Te3基熱電材料的機(jī)械性能，減小加工過(guò)程中的損耗，課題研究了Bi2Te3基熱電材料壓制過(guò)程中的熱壓溫度、保壓過(guò)程中壓力的變化情況以及熱壓結(jié)束后降溫降壓順序這幾個(gè)因素對(duì)材料成型的影響。

用機(jī)械合金化方法制備Bi2Te3基熱電粉末材料。分別在180℃、200℃、220℃、240℃和260℃條件下，施以215MPa的壓力，保持30min時(shí)間，分別采取先降溫后降壓和先降壓后降溫的方式，制備Φ20mm×5mm的熱壓塊體樣品。選取硬脂酸丙酮溶液作為脫模潤(rùn)滑劑。

表1是不同熱壓溫度下，熱電材料壓制情況表。樣品1是在熱壓溫度180℃的條件下，保壓30min，在保壓過(guò)程中，壓力保持215MPa不變，保壓結(jié)束后采取先把壓力減為零，再讓樣品的溫度降到室溫的方式，即先降壓后降溫，壓制結(jié)果是沒有得到成型的塊體材料。樣品2是在熱壓溫度200℃的條件下，保壓30min，施加215MPa的壓力，在保壓過(guò)程中，壓力先降低，多次加壓至215MPa，至保壓結(jié)束，壓力略有增加，保壓結(jié)束后采取先降壓后降溫的方式，壓制結(jié)果是得到了成型的塊體材料。樣品3、樣品4和樣品5的熱壓溫度分別是220℃、240℃和260℃，都保壓30min，在保壓過(guò)程中，壓力先降低，又加壓至215MPa，至保壓結(jié)束，壓力增加至268MPa，保壓結(jié)束后采取先降壓后降溫的方式，壓制結(jié)果是得到了成型的塊體材料。根據(jù)表中樣品2、樣品3、樣品4和樣品5在保壓過(guò)程中壓力表示數(shù)變化情況，可以看出熱壓初期是樣品快速致密化的階段，壓力降低，需要外界增加壓力才能保持215MPa。樣品3、樣品4和樣品5熱壓后期壓力表示數(shù)自動(dòng)增加至268MPa，是致密化程度減慢，到最后幾乎停止，材料在高溫下體積膨脹導(dǎo)致的。樣品2熱壓后期壓力表示數(shù)略有增加，說(shuō)明材料在200℃的溫度下體積膨脹較小。樣品1在保壓過(guò)程中壓力表示數(shù)幾乎沒有變化，表明材料的致密化過(guò)程和膨脹過(guò)程都不明顯，分析其原因是加壓速度過(guò)快，使粉體材料里面的大量氣泡被包裹在材料里面，沒有及時(shí)排出，從而降低了材料的致密度，導(dǎo)致材料不能成型。另樣品1的熱壓溫度較低，熱壓可以促進(jìn)塊體材料的致密化過(guò)程。一般情況下，熱壓溫度越高，材料的致密度越大；相反，熱壓溫度越低，材料的致密度越小，導(dǎo)致材料不能成型。綜上所述，粉體材料里含有大量氣泡和熱壓溫度較低是導(dǎo)致材料不能成型的主要原因。

表2中樣品2和樣品6都是在200℃的熱壓溫度下，保壓30min，保壓過(guò)程中壓力變化略有不同，保壓結(jié)束后，樣品2采取先降壓后降溫的方式，樣品6采取先降溫后降壓的方式，壓制結(jié)果是樣品2得到了成型的塊體材料，樣品6沒有得到成型的塊體材料。分析先降溫后降壓導(dǎo)致樣品不能成型的原因是從熱壓溫度降低到室溫時(shí)間較長(zhǎng)，材料在該段時(shí)間內(nèi)的壓力仍然保持原來(lái)大小，由于熱壓后期致密化程度幾乎停止，降溫期間的壓力反而使樣品產(chǎn)生了強(qiáng)烈的彈性后效，導(dǎo)致脫模之后不能成型。所以保壓30min結(jié)束后一定要采取先降壓后降溫的方式。

為了對(duì)保壓結(jié)束后，采取先降壓后降溫的方式給出更加充分的證明，我們又做了以下實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)情況如表3所示。表3中樣品4、樣品7和樣品8是在240℃的熱壓溫度下，保壓30min，保壓過(guò)程中壓力變化略有不同，保壓結(jié)束后，樣品4采取先降壓后降溫的方式，樣品7和樣品8采取先降溫后降壓的方式，壓制結(jié)果是樣品4得到了成型的塊體材料，樣品7和樣品8沒有得到成型的塊體材料。從而再一次證明了表2中的結(jié)論，保壓結(jié)束后，采取先降溫后降壓的方式會(huì)使樣品產(chǎn)生大的彈性后效，導(dǎo)致樣品脫模時(shí)碎裂。

本文研究了不同熱壓溫度下熱電材料的壓制情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明熱壓溫度越低，樣品成型率越低。并且加壓速度過(guò)快，使粉體材料里面的大量氣泡被包裹在材料里面，不能及時(shí)排出，降低材料的致密度，也是導(dǎo)致材料不能成型的原因之一。為了進(jìn)一步研究材料成型率低的原因，本文又研究了相同熱壓溫度下，保壓結(jié)束后，降溫降壓順序?qū)悠烦尚偷挠绊?，?shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)采取先降壓后降溫的方式可以增加樣品的成型率，這種方式有效地降低了樣品脫模時(shí)的彈性后效。

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