[发明专利]一种具有纳米层状结构高性能BiCuSeO基块体热电材料的超快速制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料制备—燃烧合成技术领域，具体涉及一种具有纳米层状结构高性能BiCuSeO基块体热电材料的超快速制备方法。 

背景技术

近十几年来，人口急速膨胀，工业迅猛发展，能源和环境问题已经逐渐凸显，能源危机和环境危机日益引发关注。目前，全球每年消耗的能源中约有70%以废热的形式被浪费掉，如果能将这些废热进行有效的回收利用，将极大的缓解能源短缺的问题。热电材料能直接将热能转换成电能，具有无传动部件、体积小、无噪音、无污染、可靠性好等优点，在汽车废热回收利用、工业余热发电方面有着巨大的应用前景。热电材料的转换效率由无量纲热电优值ZT（ZT=α²σT/κ其中α为Seebeck系数、σ为电导率、k为热导率、T为绝对温度）决定。ZT越大，材料的热电转换效率越高。目前研究较多的高性能热电材料一般是Te基的，如PbTe和Bi₂Te₃。Te元素在地球中的储量稀少、价格昂贵，同时它也是太阳能电池的主要组成元素，这些因素都极大地制约着Te基热电材料的大规模商业化应用和可持续性发展。因此开发储量丰富、价格低廉的高性能热电材料具有重要意义。 

BiCuSeO化合物具有较好的电性能和复杂的晶体结构，同时又由于其具有原料储量丰富、价值低廉、热电性能优异等优点，受到人们的广泛关注。 

目前BiCuSeO基热电材料的合成主要采用机械球磨结合两步固相反应，但由于反应过程繁琐复杂，而且固相反应的过程需要消耗较多的能源。因此寻找一种简单快捷、能耗少、重复性好并且能大规模制备的合成方法显得十分重要。 

燃烧合成（Combustion Synthesis,简称CS）是利用反应自身放热制备材料的新技术。按照点燃方式，CS技术可分为一端点火的自蔓延高温合成（Self-propagating High-temperature Synthesis,简称SHS）模式和整体引燃的热爆合成（Thermal Explosion synthesis,简称TE）模式。它具有反应时间极短、工艺简单、对设备要求低、节能环保、适宜规模化生产等优点。用该方法得到产物一般具有大量纳米结构，这对热电材料极为有利。放电等离子烧结（Spark Plasma Sintering或SPS）是在真空条件下，通过上下石墨压头对样品进行加压，同时利用脉冲电流进行表面活化和直接加热，能够在较短时间内实现材料的致密化。SPS的快速致密化技术能够最大限度的保留CS过程中产生的纳米结构。鉴于CS和SPS制 备技术的众多优点，将两者结合，制备出了具有纳米层状结构的BiCuSeO基热电材料。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足而提供一种燃烧合成结合放电等离子烧结超快速制备具有纳米层状结构BiCuSeO基块体热电材料的方法，该方法制备时间短，工艺简单，且重复性好。 

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为： 

一种具有纳米层状结构高性能BiCuSeO基块体热电材料的超快速制备方法，它包括如下步骤： 

1）以Bi₂O₃粉、PbO粉、Bi粉、Cu粉、Se粉为原料，按化学计量比（1-x）:3x:（1-x）:3:3（x=0,2%,4%,6%,8%,10%，当x=0时，即原料中不包括PbO粉）称量Bi₂O₃粉、PbO粉、Bi粉、Cu粉、Se粉，混合均匀得到反应物； 

2）步骤1）所得反应物发生燃烧合成反应，之后冷却或淬火，得到Bi_1-xPb_xCuSeO化合物； 

3）将步骤2）中所得Bi_1-xPb_xCuSeO化合物研磨成粉，之后进行放电等离子烧结，得到具有纳米层状结构高性能BiCuSeO基块体热电材料。 

按上述方案，步骤1）中所述反应物为粉体或者压制成锭体。 

按上述方案，所述燃烧合成反应所用气氛为空气或者真空或者惰性气体。 

按上述方案，所述燃烧合成反应采用一端点火的自蔓延高温合成模式或者整体引燃的热爆合成模式中的任意一种。 

按上述方案，所述整体引燃的热爆合成模式所采用的温度为1000℃以上，时间不超过1min。 

按上述方案，所述步骤3）中放电等离子烧结的条件为：烧结温度为670℃，烧结压力为30MPa，保温时间为5-7min。