[发明专利]一种快速制备高性能CuInTe2基热电材料的新方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料制备技术领域，具体涉及一种快速制备高性能CuInTe₂基热电材料的新方法。

背景技术

当前，全球自然环境由于使用非清洁能源已经日渐恶化，严重威胁人类的可持续发展；众所周知，目前世界范围内能源的主要来源还是化石能源(煤炭、石油和天然气)，然而这些能源在地球上的储备是极为有限的，随着人类社会的进步发展，这些能源被源源不断开采出来，导致化石能源储存量迅速衰竭；不仅如此，这些不可再生的能源使用过程中难免会排除一些有害气体，对自然环境造成严重污染。因此开发新型的、环境友好的可再生清洁能源及能源转换技术成为世界各国科学家的公共课题。这其中能实现热能与电能直接转换的热电转换技术成为众多科学工作者的关注焦点。

热电转换技术是利用半导体热电材料的赛贝克(Seebeck)效应和珀尔帖(Peltier)效应将热能和电能进行直接转换的技术，包括热电发电和热电制冷两种方式。这种技术具有结构简单、可靠性高、运行成本低、寿命长、无传动部件、无噪音、无污染、使用温度范围广等优点。热电材料温差发电不仅是当前深空探测领域的最主要的能源供应,而且在汽车尾气和其它工业余热发电、太阳能和地热温差发电等高新技术领域都已获得了普遍应用。而热电制冷技术在冷却电子器件(红外、远红外探测器、高速芯片等)、医疗器材及高温超导等方面以及航天飞行器、潜艇等用空调设备等许多重要领域都有非常广阔的应用前景。对于热电器件，高转换效率需要材料高的ZT值，其中ZT＝ασ²T/κ，其中α，σ和Τ分别表示材料的Seebeck系数，电导率和绝对温度，κ为材料的热导率。因此，寻找具有高的ZT值的热电材料是热电材料研究领域的前沿课题。

CuInTe₂是直接带隙半导体热电材料，其能带间隙约为1.06eV，是典型的黄铜矿结构。CuInTe₂是中温p型热电材料，由于其空穴浓度低使得电导率相对很低，最终使得其热电性能并不高，目前优化CuInTe₂材料的热电性能主要从增大其载流子浓度着手。其中通过Cu原子的缺失增加Cu空位浓度能有效调节空穴载流子浓度，由于CuInTe₂结构相对稳定，Seebeck系数高，热导率较低，因而是一种非常有应用前景的p型热电材料。

目前，制备CuInTe₂热电材料的方法主要采用熔融扩散退火法。但是熔融退火法一般需要4～7天，涉及的工艺复杂，制备周期长，不利于商业化应用。因此，亟需进一步寻找简单快捷、能耗少、重复性好的CuInTe₂热电材料合成方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速制备高性能CuInTe₂基热电材料的新方法，该方法具有反应速度快、工艺简单、重复性好、高效节能等特点，且制得的材料具有优异的热电性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种快速制备高性能CuInTe₂基热电材料的新方法，包括以下步骤：

1)以Cu粉、In粉和Te粉为原料，按化学式Cu_1-xInTe₂中各元素的化学计量比进行称量，其中0≤x≤0.2，将称量好的原料粉末研磨混合均匀，并压制成块状坯体；

2)将步骤1)所得块状坯体引发高温自蔓延合成反应(SHS)，反应完成后自然冷却，得锭体；

3)将步骤2)所得锭体研磨成粉末，进行放电等离子体活化烧结(PAS)，得到单相的高性能的CuInTe₂基热电材料。

上述方案中，所述Cu粉、In粉和Te粉的质量纯度均≥99.9％。

上述方案中，所述步骤1)中的压制工艺为：在2～5MPa下保压3～8min。

上述方案中，所述高温自蔓延合成反应采用点加热方式对块状坯体的端部进行加热，局部起爆引发自蔓延反应。

上述方案中，所述放电等离子体活化烧结工艺为：在真空小于10Pa和烧结压力为40～50MPa条件下，以80～120℃/min的升温速率升温到500～600℃，烧结致密化时间5～10min。

根据上述方案制得的高性能CuInTe₂基致密块体热电材料，其中Cu_0.95InTe₂的热电性能优值ZT在720K可达0.58。