[发明专利]一种超快速低成本制备高性能Half-Heusler块体热电材料的方法

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，具体涉及一种超快速低成本制备高性能Half-Heusler块体热电材料方法。 

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、κ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。 

Half-Heusler化合物的结构最先是由Heusler发现并报道的，Half-Heusler化合物的通式为ABX，A是元素周期表中左边的副族元素（钪、钛、钒族等），B为元素周期表中的过渡族元素（铁、钴、镍族等），X为IIIA、IVA、VA族元素，这种三元金属间化合物有许多种，多呈现半金属、金属或半导体特征。具有半导体性质的Half-Heusler化合物都有18个价电子，基于这个规律，热电性能的研究也主要集中在这些半导体化合物中。 

目前Half-Heusler热电材料的合成主要采用高温长时间固相反应、悬浮熔炼结合放电等离子烧结、电弧熔炼结合热压烧结等方法，但由于反应过程繁琐复杂，需要消耗较多的能源同时对设备的要求极高。因此寻找一种简单快捷、对设备要求低、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。用该方法得到的产物一般具有大量纳米结构，这对热电材料极为有利。等离子活化烧结（Plasma Activated Sintering，简称PAS）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。PAS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PAS制备技术的众多优点，将两者结合，制备出了高性能的Half-Heusler块体热电材料。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种超快速低成本制备高性能Half-Heusler块体热电材料方法，该方法制备时间短，工艺简单，对设备要求低，且重复性好，便于规模化制备。 

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为： 

一种超快速低成本制备高性能Half-Heusler块体热电材料方法，它包括如下步骤： 

1）根据Half-Heusler化合物的通式ABX，按化学计量比1:1:1称量A粉、B粉、X粉作为原料，混合均匀得到反应物； 

2）所述反应物发生燃烧合成反应，完成反应之后冷却或淬火； 

3）将步骤2）中所得产物研磨成细粉，之后进行等离子活化烧结（PAS），得到高性能Half-Heusler块体热电材料。 

按上述方案，步骤1）中所用原料A可以选自IIIB、IVB、VB族大部分元素，如选自Ti、Zr、Hf、Sc、Y、La、V、Nb、Ta中的一种或几种按任意比例的混合物；所用原料B可以选自VIIIB族元素，如选自Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Pt的一种或几种按任意比例的混合物；所用原料X可以选自IIIA、IVA、VA族的大部分元素，如选自Sn、Sb、Bi的一种或几种按任意比例的混合物。 

按上述方案，步骤1）中所述反应物为粉体或者压制成锭体。