[发明专利]一种快速制备高性能ZrNiSn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领域，具体涉及一种快速制备高性能ZrNiSn块体热电材料的方法。

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。

ZrNiSn基化合物及固溶体是Half-Heusler化合物家族中热电性能最优越的，在Zr位固溶Ti/Hf，在Ni位固溶Pd/Pt，在Sn位掺杂Sb/Bi可使得其无量纲热电优值超过1。这对于中高温发电(工业余热及汽车尾气发电等)无疑具有巨大的诱惑。但是其目前的合成方法很苛刻，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。近期，武汉理工大学的唐新峰等人发展了自蔓延高温合成结合等离子活化烧结技术制备了高性能的ZrNiSn基块体热电材料。但是，这种办法仍然不能显著降低ZrNiSn化合物的晶格热导率。原因在于等离子活化烧结过程虽然可以实现快速烧结，但是仍然需要耗时15min以上，特别是需要在900℃以上高温下保温5-7min。在这个过程中非晶消失，纳米晶核及微晶长大，当增大到远超过声子平均自由程时，将不再能有效散射声子，这显然不利于降低晶格热导率，必然限制性能的进一步优化。

自蔓延高温合成(Self-Propagating High-temperature Synthesis，简称“SHS”)与快速加压(Quick Pressing)相结合，使材料的合成及致密化过程同时完成，所以被称为自蔓延高温合成快速加压(简称“SHS/QP)技术。具体过程是：当SHS反应刚刚完成，而合成的材料仍然处于高温红热软化状态时，立即对合成的产物施加高的轴向压力以达到致密化。但是，这种技术目前通常用于制备包括陶瓷、叠层材料及梯度材料在等内的结构材料，这是由于这些结构材料通常只对力学性能有要求，而对其它功能无特定要求，故对于热电材料这种功能材料来说，科学工作者均未采用自蔓延高温合成快速加压技术来制备。

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快速制备高性能ZrNiSn块体热电材料的方法，采用自蔓延高温合成快速加压技术制备得到单相的ZrNiSn块体热电材料。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种快速制备高性能ZrNiSn块体热电材料的方法，采用自蔓延高温合成快速加压法制备高性能ZrNiSn块体热电材料。

按上述方案，所述自蔓延高温合成快速加压法是将自蔓延高温合成与快速加压相结合的方法。

按上述方案，所述采用自蔓延高温合成快速加压法制备高性能ZrNiSn块体热电材料的具体步骤如下：

1)按化学计量比1:(0.9-1.1):(0.9-1.1)称量Zr粉、Ni粉、Sn粉作为原料，混合均匀压制成柱状坯体；

2)将所述柱状胚体引发自蔓延高温合成反应，当燃烧波蔓延至整个所述柱状胚体时，所述柱状胚体正处于高温红热软化状态下，对柱状胚体施以轴向高压使其致密化，即得到高性能ZrNiSn块体热电材料。

按上述方案，所述步骤1)中，优选地，按化学计量比1:(0.95-1.05):(0.95-1.05)称量Zr粉、Ni粉、Sn粉作为原料。

按上述方案，步骤1)所述压制分为两次，第一次压制将反应物压制成型，得到预成型的柱状块体；第二次压制是将所述预成型的柱状块体进行冷等静压，得到高致密度的柱状坯体。其中，第一次压制的压力为4-8MPa，时间为3-6min；第二次压制的压力为150-200MPa，时间为3-5min。