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[摘 要] 热电材料由于在热电转换方面的独特优势，而备受人们关注。Bi2Te3基材料热电性能较好，但是机械性能较差。为了增加材料的成型率，减小加工损耗，对不同热压温度下热电材料的压制情况进行了研究，实验结果表明热压温度越低，样品成型率越低。并且加压速度过快，使粉体材料里面的大量气泡被包裹在材料里面，不能及时排出，降低材料的致密度，也是导致材料不能成型的原因之一。又研究了相同热压温度下，保压结束后，降温降压顺序对样品成型的影响，实验结果发现采取先降压后降温的方式可以增加样品的成型率，这种方式有效地降低了样品脱模时的弹性后效。
[关 键 词] 热电材料；热压温度；机械性能；致密度
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2016）10-0014-02
热电材料是一种能够实现热能和电能相互转换的材料，由于在制冷和发电领域有着极为重要的应用前景，使其备受关注。
近年来，由于氟利昂对环境的破坏作用已被人们普遍认识，制造无污染、无噪声的制冷机成了制冷技术追求的目标。同时，随着计算机技术、航天技术、超导技术和微电子技术的发展，迫切需要小型静态制冷且能固定安装的长寿命的制冷装置，如核潜艇反应堆冷却装置、电脑芯片冷却器、便携式冷却箱等。热电材料正是由于其在低品位能源（如工业余热、地热、太阳能等）利用及环境保护等方面的特殊功能，在各国受到高度重视。此外，由于热电理论的发展和对热电材料实验研究的不断深入，热电学研究也显示出了更为广泛的应用前景，国际上正掀起一股强劲的热电材料研究热潮。
Bi2Te3基热电材料是研究最早也是目前发展最为成熟的热电材料之一。Bi2Te3基材料虽然热电性能较好，但是它容易解理，机械性能较差，导致加工过程中损耗较大，增加了器件的生产成本。热压成型方法是提高材料机械性能的有效方法之一。热压就是把压制成型和烧结同时进行的一种工艺方法，它可以改变晶粒内部的原子间距，从而增加材料的致密度。在材料制备过程中，温度和压力是两个重要工艺参数，不但影响材料的力学性能，还可以改变物质内部原子间的距离、能带结构以及多晶材料的微观结构等，从而有效地改变材料的物理化学性质。综上所述，为了增加Bi2Te3基热电材料的机械性能，减小加工过程中的损耗，课题研究了Bi2Te3基热电材料压制过程中的热压温度、保压过程中压力的变化情况以及热压结束后降温降压顺序这几个因素对材料成型的影响。
用机械合金化方法制备Bi2Te3基热电粉末材料。分别在180℃、200℃、220℃、240℃和260℃条件下，施以215MPa的压力，保持30min时间，分别采取先降温后降压和先降压后降温的方式，制备Φ20mm×5mm的热压块体样品。选取硬脂酸丙酮溶液作为脱模润滑剂。
表1是不同热压温度下，热电材料压制情况表。样品1是在热压温度180℃的条件下，保压30min，在保压过程中，压力保持215MPa不变，保压结束后采取先把压力减为零，再让样品的温度降到室温的方式，即先降压后降温，压制结果是没有得到成型的块体材料。样品2是在热压温度200℃的条件下，保压30min，施加215MPa的压力，在保压过程中，压力先降低，多次加压至215MPa，至保压结束，压力略有增加，保压结束后采取先降压后降温的方式，压制结果是得到了成型的块体材料。样品3、样品4和样品5的热压温度分别是220℃、240℃和260℃，都保压30min，在保压过程中，压力先降低，又加压至215MPa，至保压结束，压力增加至268MPa，保压结束后采取先降压后降温的方式，压制结果是得到了成型的块体材料。根据表中样品2、样品3、样品4和样品5在保压过程中压力表示数变化情况，可以看出热压初期是样品快速致密化的阶段，压力降低，需要外界增加压力才能保持215MPa。样品3、样品4和样品5热压后期压力表示数自动增加至268MPa，是致密化程度减慢，到最后几乎停止，材料在高温下体积膨胀导致的。样品2热压后期压力表示数略有增加，说明材料在200℃的温度下体积膨胀较小。样品1在保压过程中压力表示数几乎没有变化，表明材料的致密化过程和膨胀过程都不明显，分析其原因是加压速度过快，使粉体材料里面的大量气泡被包裹在材料里面，没有及时排出，从而降低了材料的致密度，导致材料不能成型。另样品1的热压温度较低，热压可以促进块体材料的致密化过程。一般情况下，热压温度越高，材料的致密度越大；相反，热压温度越低，材料的致密度越小，导致材料不能成型。综上所述，粉体材料里含有大量气泡和热压温度较低是导致材料不能成型的主要原因。
表2中样品2和样品6都是在200℃的热压温度下，保压30min，保压过程中压力变化略有不同，保压结束后，样品2采取先降压后降温的方式，样品6采取先降温后降压的方式，压制结果是样品2得到了成型的块体材料，样品6没有得到成型的块体材料。分析先降温后降压导致样品不能成型的原因是从热压温度降低到室温时间较长，材料在该段时间内的压力仍然保持原来大小，由于热压后期致密化程度几乎停止，降温期间的压力反而使样品产生了强烈的弹性后效，导致脱模之后不能成型。所以保压30min结束后一定要采取先降压后降温的方式。
为了对保压结束后，采取先降压后降温的方式给出更加充分的证明，我们又做了以下实验，实验情况如表3所示。表3中样品4、样品7和样品8是在240℃的热压温度下，保压30min，保压过程中压力变化略有不同，保压结束后，样品4采取先降压后降温的方式，样品7和样品8采取先降温后降压的方式，压制结果是样品4得到了成型的块体材料，样品7和样品8没有得到成型的块体材料。从而再一次证明了表2中的结论，保压结束后，采取先降温后降压的方式会使样品产生大的弹性后效，导致样品脱模时碎裂。
本文研究了不同热压温度下热电材料的压制情况，实验结果表明热压温度越低，样品成型率越低。并且加压速度过快，使粉体材料里面的大量气泡被包裹在材料里面，不能及时排出，降低材料的致密度，也是导致材料不能成型的原因之一。为了进一步研究材料成型率低的原因，本文又研究了相同热压温度下，保压结束后，降温降压顺序对样品成型的影响，实验结果发现采取先降压后降温的方式可以增加样品的成型率，这种方式有效地降低了样品脱模时的弹性后效。
参考文献：
[1]李瑜煜，张仁元.热电材料热压烧结技术研究[J].材料导报，2007，21（7）：126-129.
[2]吕强，荣剑英，赵磊，等.热压工艺参数对n型和p型Bi2Te3基赝三元热电材料电学性能的影响[J].物理学报，2005，54（7）：3321-3326.
[3]白亚平，郭永春，李建平，等.高能球磨-热压烧结7075铝合金的组织与力学性能[J].热加工工艺，2016，45（6）：50-55.
[4]吴芳，王伟.高压烧结法制备Bi2Te3纳米晶块体热电性能的研究[J].物理学报，2015，64（4）：047201.
[关 键 词] 热电材料；热压温度；机械性能；致密度
[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2016）10-0014-02
热电材料是一种能够实现热能和电能相互转换的材料，由于在制冷和发电领域有着极为重要的应用前景，使其备受关注。
近年来，由于氟利昂对环境的破坏作用已被人们普遍认识，制造无污染、无噪声的制冷机成了制冷技术追求的目标。同时，随着计算机技术、航天技术、超导技术和微电子技术的发展，迫切需要小型静态制冷且能固定安装的长寿命的制冷装置，如核潜艇反应堆冷却装置、电脑芯片冷却器、便携式冷却箱等。热电材料正是由于其在低品位能源（如工业余热、地热、太阳能等）利用及环境保护等方面的特殊功能，在各国受到高度重视。此外，由于热电理论的发展和对热电材料实验研究的不断深入，热电学研究也显示出了更为广泛的应用前景，国际上正掀起一股强劲的热电材料研究热潮。
Bi2Te3基热电材料是研究最早也是目前发展最为成熟的热电材料之一。Bi2Te3基材料虽然热电性能较好，但是它容易解理，机械性能较差，导致加工过程中损耗较大，增加了器件的生产成本。热压成型方法是提高材料机械性能的有效方法之一。热压就是把压制成型和烧结同时进行的一种工艺方法，它可以改变晶粒内部的原子间距，从而增加材料的致密度。在材料制备过程中，温度和压力是两个重要工艺参数，不但影响材料的力学性能，还可以改变物质内部原子间的距离、能带结构以及多晶材料的微观结构等，从而有效地改变材料的物理化学性质。综上所述，为了增加Bi2Te3基热电材料的机械性能，减小加工过程中的损耗，课题研究了Bi2Te3基热电材料压制过程中的热压温度、保压过程中压力的变化情况以及热压结束后降温降压顺序这几个因素对材料成型的影响。
用机械合金化方法制备Bi2Te3基热电粉末材料。分别在180℃、200℃、220℃、240℃和260℃条件下，施以215MPa的压力，保持30min时间，分别采取先降温后降压和先降压后降温的方式，制备Φ20mm×5mm的热压块体样品。选取硬脂酸丙酮溶液作为脱模润滑剂。
表1是不同热压温度下，热电材料压制情况表。样品1是在热压温度180℃的条件下，保压30min，在保压过程中，压力保持215MPa不变，保压结束后采取先把压力减为零，再让样品的温度降到室温的方式，即先降压后降温，压制结果是没有得到成型的块体材料。样品2是在热压温度200℃的条件下，保压30min，施加215MPa的压力，在保压过程中，压力先降低，多次加压至215MPa，至保压结束，压力略有增加，保压结束后采取先降压后降温的方式，压制结果是得到了成型的块体材料。样品3、样品4和样品5的热压温度分别是220℃、240℃和260℃，都保压30min，在保压过程中，压力先降低，又加压至215MPa，至保压结束，压力增加至268MPa，保压结束后采取先降压后降温的方式，压制结果是得到了成型的块体材料。根据表中样品2、样品3、样品4和样品5在保压过程中压力表示数变化情况，可以看出热压初期是样品快速致密化的阶段，压力降低，需要外界增加压力才能保持215MPa。样品3、样品4和样品5热压后期压力表示数自动增加至268MPa，是致密化程度减慢，到最后几乎停止，材料在高温下体积膨胀导致的。样品2热压后期压力表示数略有增加，说明材料在200℃的温度下体积膨胀较小。样品1在保压过程中压力表示数几乎没有变化，表明材料的致密化过程和膨胀过程都不明显，分析其原因是加压速度过快，使粉体材料里面的大量气泡被包裹在材料里面，没有及时排出，从而降低了材料的致密度，导致材料不能成型。另样品1的热压温度较低，热压可以促进块体材料的致密化过程。一般情况下，热压温度越高，材料的致密度越大；相反，热压温度越低，材料的致密度越小，导致材料不能成型。综上所述，粉体材料里含有大量气泡和热压温度较低是导致材料不能成型的主要原因。
表2中样品2和样品6都是在200℃的热压温度下，保压30min，保压过程中压力变化略有不同，保压结束后，样品2采取先降压后降温的方式，样品6采取先降温后降压的方式，压制结果是样品2得到了成型的块体材料，样品6没有得到成型的块体材料。分析先降温后降压导致样品不能成型的原因是从热压温度降低到室温时间较长，材料在该段时间内的压力仍然保持原来大小，由于热压后期致密化程度几乎停止，降温期间的压力反而使样品产生了强烈的弹性后效，导致脱模之后不能成型。所以保压30min结束后一定要采取先降压后降温的方式。
为了对保压结束后，采取先降压后降温的方式给出更加充分的证明，我们又做了以下实验，实验情况如表3所示。表3中样品4、样品7和样品8是在240℃的热压温度下，保压30min，保压过程中压力变化略有不同，保压结束后，样品4采取先降压后降温的方式，样品7和样品8采取先降温后降压的方式，压制结果是样品4得到了成型的块体材料，样品7和样品8没有得到成型的块体材料。从而再一次证明了表2中的结论，保压结束后，采取先降温后降压的方式会使样品产生大的弹性后效，导致样品脱模时碎裂。
本文研究了不同热压温度下热电材料的压制情况，实验结果表明热压温度越低，样品成型率越低。并且加压速度过快，使粉体材料里面的大量气泡被包裹在材料里面，不能及时排出，降低材料的致密度，也是导致材料不能成型的原因之一。为了进一步研究材料成型率低的原因，本文又研究了相同热压温度下，保压结束后，降温降压顺序对样品成型的影响，实验结果发现采取先降压后降温的方式可以增加样品的成型率，这种方式有效地降低了样品脱模时的弹性后效。
参考文献：
[1]李瑜煜，张仁元.热电材料热压烧结技术研究[J].材料导报，2007，21（7）：126-129.
[2]吕强，荣剑英，赵磊，等.热压工艺参数对n型和p型Bi2Te3基赝三元热电材料电学性能的影响[J].物理学报，2005，54（7）：3321-3326.
[3]白亚平，郭永春，李建平，等.高能球磨-热压烧结7075铝合金的组织与力学性能[J].热加工工艺，2016，45（6）：50-55.
[4]吴芳，王伟.高压烧结法制备Bi2Te3纳米晶块体热电性能的研究[J].物理学报，2015，64（4）：047201.