【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及熱電制冷，尤其是涉及一種低溫熱電制冷材料及其制備方法與應用。
技術介紹
1、在熱力學循環過程中，通過工作介質的熵變，熱機可以實現熱能與其他形式能量的轉換，從而達到制冷/泵熱目的。關鍵應用如液氦儲存、超導磁體冷卻和量子計算等，依賴于低溫制冷技術提供穩定的低溫環境，通常低于123k。目前，機械制冷技術仍然是低溫制冷領域的主流，這類技術通過壓縮機傳動引發工質的相變以達到制冷效果，典型技術包括斯特林制冷機和gifford-mcmahon制冷器。然而，機械制冷裝置的復雜傳動系統會導致可靠性問題，且制冷劑的定期補充和更換在極端環境下增加了維護成本。
2、鑒于這些局限性，發展無需壓縮機的替代或補充技術成為了迫切需求。熱電效應本質上是一種使用材料中載流子作為工作介質的熱機或泵，不依賴傳統的壓縮機工作即可實現制冷或泵熱。由于其固態結構，熱電制冷技術具有無噪音、無振動、無排放以及高可靠性等優勢，特別適合用于低溫和極端環境中的局部冷卻和熱管理應用。
3、傳統熱電制冷器基于peltier效應，由于熱電材料與電極之間的化學勢不匹配，通過電流驅動載流子的熵變，在結點處吸收熱量。peltier效應進一步確立了推動熱電制冷的基本指導原則，即通過提高材料的熱電優值(zt)來最大化peltier制冷溫差。然而，低溫下提高zt一直是一個巨大挑戰，迄今尚未有熱電制冷器在50k以下展示出超過3k的制冷溫差。19世紀50年代，kelvin勛爵預言并闡明了在材料內部存在一種制冷效應(thomson效應)，除了界面處的peltier效應外
技術實現思路
1、本專利技術的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種低溫熱電制冷材料及其制備方法與應用，有效實現了熱電制冷效果的增強。在38k左右的低溫下，該器件展現出穩定的5～6k的溫差，其制冷性能遠優于目前低溫下最優的bi1-xsbx基peltier制冷器件，展現了thomson效應將熱電制冷應用擴展至低溫領域的巨大潛力。
2、本專利技術的目的可以通過以下技術方案來實現：
3、本專利技術的技術方案之一在于提供一種低溫熱電制冷材料的制備方法，按化學計量比將yb、in、cu均勻混合后置于鉭坩堝中，在真空密封環境下電弧熔煉得到ybincu4鑄錠，研磨得到ybincu4粉末，熱壓燒結得到ybincu4塊體，即目標產物低溫熱電制冷材料。
4、進一步地，所述電弧熔煉包括以下步驟：
5、將混合均勻的yb、in、cu裝入鉭坩堝中，在電弧熔煉系統中對鉭坩堝進行抽真空密封；
6、將真空密封后的鉭坩堝放置于容器中，抽真空后用可燃有機氣體密封；
7、將密封后的容器在1000～1200℃下進行水淬；
8、將水淬后得到的容器在750～950℃下退火，得到ybincu4鑄錠。
9、更進一步地，所述容器包括石英管、氧化鋁坩堝；
10、所述可燃有機氣體包括丙烷、氫氣。
11、更進一步地，將密封后的容器在1000～1200℃下保溫1～5h，進行水淬。
12、更進一步地，所述退火的時間為5～20d。
13、進一步地，所述yb、in、cu的摩爾比為1：0.8～1.2：3～5，優選為1：0.9～1.1：3.5～4.5，進一步優選為1：1：4。
14、進一步地，所述yb的純度為≥99.95％，in的純度為≥99.99％，cu的純度為≥99.99％。
15、進一步地，所述熱壓燒結的具體條件為：溫度為500～800℃，單軸壓力為60～100mpa，熱壓燒結時間為30～120min。
16、本專利技術的技術方案之二在于提供一種低溫熱電制冷材料，其采用所述的制備方法制備得到。
17、進一步地，低溫熱電制冷材料的致密度大于98％。
18、進一步地，所述的低溫熱電制冷材料所述的低溫熱電制冷材料在38～40k的溫度范圍內展現出顯著的thomson效應，在38～40k的溫度范圍內，熱電功率因子為120～190μw·cm-1·k-2，熱導率為5～8w·cm-1·k-1。所述的低溫熱電制冷材料利用流動電子與yb-4f電子之間雜化作用的變化，實現電子相變。
19、本專利技術的技術方案之三在于提供一種低溫熱電制冷材料在熱電制冷領域的應用，所述低溫熱電制冷材料用于制備低溫熱電制冷器件。所述低溫熱電制冷器件在低溫下工作時具有高效的熱電性能，thomson效應顯著，能夠在高電流密度下保持低電阻率和高熱導率，從而實現快速的溫差響應和穩定的制冷效果。
20、進一步地，所述低溫熱電制冷器件包括：
21、真空腔體；
22、位于所述真空腔體內部的熱沉端；
23、以及與所述熱沉端通過導熱膠連接的支腿器件，所述支腿器件由所述低溫熱電制冷材料切割得到，切割的形狀和尺寸可根據實際工藝確定。所述低溫熱電制冷器件，能夠有效減少熱損失，穩定熱端溫度和冷端溫度。以最大化熱電制冷性能，減少溫度波動，從而獲得穩定的溫差輸出。
24、進一步地，所述支腿器件在38～40k的溫度范圍內，電流條件為40～500時，最大溫差為5～6k。
25、更進一步地，當優化電流條件為450ma時，熱沉端溫度為38.4k時可實現最大溫差達到6k。
26、進一步地，所述熱沉端為銅熱沉端。
27、進一步地，采用所述低溫熱電制冷器件進行制冷的方法為：在所述熱沉端的溫度為38～40k的范圍內施加電流，控制所述低溫熱電制冷器件在穩定工作電流下實現最佳制冷效果。通過調整工作電流，可以優化thomson效應以實現最大溫差。
28、與現有技術相比，本專利技術具有以下優點：
29、(1)本專利技術利用低溫熱電制冷材料中電子狀態在38～40k發生了不連續的相變，顯著增強了thomson制冷效果。利用thomson效應在低溫熱電制冷材料(ybincu4)中實現了低溫(38～40k)下高達190μw·cm-1·k-2(120～190μw·cm-1·k-2)的熱電功率因子和5～8w·cm-1·k-1的高熱導率，確保了低溫熱電制冷器件快速的響應速度。結果表明，低溫熱電器件在通電后僅需幾秒鐘即可達到最大溫差，這種迅速的響應機制確保了裝置在實際應用中的快速溫差調控。
30、(2)本專利技術中38.4k下低溫熱電制冷材料(ybincu4)的thomson效應最強，故低溫熱電器件制冷性能達到優化。通過優化工作電流條件，本專利技術的單腿熱電支腿在38.4k溫本文檔來自技高網...
【技術保護點】
1.一種低溫熱電制冷材料的制備方法，其特征在于，按化學計量比將Yb、In、Cu均勻混合后置于鉭坩堝中，在真空密封環境下電弧熔煉得到YbInCu4鑄錠，研磨得到YbInCu4粉末，熱壓燒結得到YbInCu4塊體，即目標產物低溫熱電制冷材料。
2.根據權利要求1所述的一種低溫熱電制冷材料的制備方法，其特征在于，所述電弧熔煉包括以下步驟：
3.根據權利要求2所述的一種低溫熱電制冷材料的制備方法，其特征在于，所述容器包括石英管、氧化鋁坩堝；
4.根據權利要求1所述的一種低溫熱電制冷材料的制備方法，其特征在于，所述Yb、In、Cu的摩爾比為1：0.8～1.2：3～5。
5.根據權利要求1所述的一種低溫熱電制冷材料的制備方法，其特征在于，所述熱壓燒結的具體條件為：溫度為500～800℃，單軸壓力為60～100MPa。
6.一種低溫熱電制冷材料，其采用如權利要求1～5任一所述的制備方法制備得到。
7.根據權利要求6所述的一種低溫熱電制冷材料，其特征在于，所述的低溫熱電制冷材料在38～40K的溫度范圍內，熱電功率因子為120
8.如權利要求7所述的一種低溫熱電制冷材料在熱電制冷領域的應用，其特征在于，所述低溫熱電制冷材料用于制備低溫熱電制冷器件。
9.根據權利要求8所述的一種低溫熱電制冷材料的應用，其特征在于，所述低溫熱電制冷器件包括：
10.根據權利要求9所述的一種低溫熱電制冷材料的應用，其特征在于，所述支腿器件在38～40K的溫度范圍內，電流條件為40～500時，最大溫差為5～6K。
...【技術特征摘要】
1.一種低溫熱電制冷材料的制備方法，其特征在于，按化學計量比將yb、in、cu均勻混合后置于鉭坩堝中，在真空密封環境下電弧熔煉得到ybincu4鑄錠，研磨得到ybincu4粉末，熱壓燒結得到ybincu4塊體，即目標產物低溫熱電制冷材料。
2.根據權利要求1所述的一種低溫熱電制冷材料的制備方法，其特征在于，所述電弧熔煉包括以下步驟：
3.根據權利要求2所述的一種低溫熱電制冷材料的制備方法，其特征在于，所述容器包括石英管、氧化鋁坩堝；
4.根據權利要求1所述的一種低溫熱電制冷材料的制備方法，其特征在于，所述yb、in、cu的摩爾比為1：0.8～1.2：3～5。
5.根據權利要求1所述的一種低溫熱電制冷材料的制備方法，其特征在于，所述熱壓燒結的具體條件為：溫度為500～800℃，單...
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。