[发明专利]一种超快速制备β-Zn4Sb3基块体热电材料的方法

说明书

本发明首次公开了一种超快速制备β‑Zn₄Sb₃基块体热电材料的方法，它以Zn粉、Sb粉为主要原料，首先将原料混合均匀，再将所得混合原料装入石墨模具中，置于等离子体活化烧结设备中在等离子体活化烧结工艺的等离子体活化阶段制备得到单相、致密的β‑Zn₄Sb₃基块体热电材料，使β‑Zn₄Sb₃化合物的反应合成及致密化过程一步完成。本发明涉及的工艺超简单、制备时间超短，所制备的β‑Zn₄Sb₃基块体热电材料性能优越，当Cd掺杂量为1％时，在690K，ZT＝1.2，为β‑Zn₄Sb₃基化合物的规模化制备和大规模应用奠定了良好的基础。

技术领域

本发明属于热电材料制备技术领域，具体涉及一种超快速制备β-Zn₄Sb₃基块体热电材料的方法。

背景技术

热电转换技术利用热电材料直接将热能与电能进行相互转换，具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、适用温度范围广、有效利用低密度能量等特点，在工业余废热和汽车尾气废热的回收利用、高精度温控和特种电源技术等领域具有广泛的应用。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、Τ为绝对温度)决定。ZT越大，材料的热电转换效率越高。

在中温区(600-900K)，PbTe基合金是最有应用效率的热电材料。由于市场需要大量无重金属Pb及储量稀少、价格昂贵的Te的热电材料，因此迫切需要找到PbTe合金的替代者。β-Zn₄Sb₃合金储量丰富、价格低廉，相比于其他已知的热电材料，在200-400℃温区内，β-Zn₄Sb₃具有优异的热电性能。最近研究表明，β-Zn₄Sb₃具有非常低的热导率的原因在于其复杂晶体结构中类液体无序间隙位的存在。Zn原子在间隙位的无序分布能强烈散射声子，从而降低材料的热导率。故而，β-Zn₄Sb₃被认为是一种优异的“电子晶体-声子玻璃”。

为了提高β-Zn₄Sb₃材料的热电性能，近年来，许多研究人员已经用多种不同办法制备了该材料，并且尝试对这种材料进行了不同的掺杂研究。归纳起来，β-Zn₄Sb₃材料的制备方法包括机械合金法，真空熔炼法，热压法直接合成等。因为球磨过程中不可避免的引入了杂质污染，同时高温处理会加速Zn的挥发，造成成分的难以控制。因此，寻求一种简便节能、绿色环保，同时避免长时间高温处理的技术显得迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的是提供一种超快速制备β-Zn₄Sb₃基块体热电材料的方法，其涉及的工艺超简单、制备时间超短，所制备的β-Zn₄Sb₃基块体热电材料性能优越，为其规模化制备和大规模应用奠定了良好的基础。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种超快速制备β-Zn₄Sb₃基块体热电材料的方法，它以Zn粉、Sb粉为原料，首先将原料混合均匀，置于等离子体活化烧结设备中，在等离子体活化烧结工艺的等离子体活化阶段制备得到致密的β-Zn₄Sb₃基块体热电材料。

上述方案中，所述Zn粉、Sb粉按4:3的摩尔比进行称量。