[发明专利]一种超快速制备高性能Cu2Se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，具体涉及一种超快速制备高性能Cu₂Se块体热电材料的方法。

背景技术

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。这种技术具有系统体积小、可靠性高、运行成本低、寿命长、制造工艺简单、环境友好、适用温度范围广等特点，作为特殊电源和精密温控器件在空间技术、军事装备等高新技术领域已经获得了较多应用。作为一种新型、环境协调型洁净能源转换技术，热电转换技术近20年来在国际上受到瞩目。热电转换器件的核心是热电材料，其转换效率主要取决于热电材料的无量纲优值ZT，它由下式表示：ZT＝α²σT/(κ_C+κ_L)，其中α，σ和T分别表示材料的Seebeck系数，电导率和绝对温度，κ_C、κ_L分别为载流子热导率和晶格热导率。

近年来Cu₂Se化合物以其优异的热电性能受到研究者的广泛关注。同时，由于Cu和Se的来源丰富、价格便宜，这使得Cu₂Se化合物在大规模商业化生产上具有巨大潜力。近年来，Chen等人(Huili Liu et al,Nature Mater.,2012,11,422～425)采用熔融退火结合放电等离子烧结(简称M-AN-SPS)制备了块体Cu₂Se热电材料，其ZT值在1000K达到1.5，但它需要在1423K真空熔融12小时，然后在1073K下退火7天，整个制备周期时长、能耗高，且不适合大规模工业化生产。Ren等人(Bo Yu et al,Nano Energy,2012,1,472～478)采用球磨结合热压法(简称BM-HP)制备了Cu₂Se块体，将制备时间缩短到几小时至十几个小时，由于Se的熔点只有221℃，长时间的高温处理使得材料的成分难以控制、晶粒容易长大，这对材料的热电性能是不利的。Tang等人(Xianli Su,Nature Communications,2014,5,4908)采用自蔓延高温合成结合等离子活化烧结(简称SHS-PAS)，在20min内制备出高性能Cu₂Se块体，1000K取得最大ZT值1.8。尽管自蔓延高温合成结合等离子活化烧结大大缩短了制备周期，但是需要用到较为昂贵的仪器等离子活化烧结设备，限制了其大规模工业化应用。

因此，发展新的制备周期短、操作简单、设备要求低、适宜工业化生产的高性能Cu₂Se块体热电材料的制备技术是其研究面临的重要课题。

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制备高性能Cu₂Se块体热电材料的方法，该方法不仅具有制备时间短、操作简单、设备要求低、适宜规模化生产，同时所制备块体致密度大于97％，且无量纲热电优值ZT在960K时达到1.4～1.5。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种超快速制备高性能Cu₂Se块体热电材料的方法，该方法为：以Cu和Se作为原料，引发合成反应后采用快速加压工艺制备高性能Cu₂Se块体热电材料。

上述超快速制备高性能Cu₂Se块体热电材料的方法，主要步骤如下：

1)以Cu和Se作为原料，将Cu粉和Se粉混合均匀压制成坯体；

2)将步骤1)所述坯体置于模具中并引发合成反应，当反应至整个坯体处于高温红热软化状态下，对所述坯体施以轴向高压使其致密化，即得到致密的高性能Cu₂Se块体热电材料。

按上述方案，所述Cu和Se的摩尔比大致为化学式Cu₂Se中Cu和Se两者元素的化学计量比。

按上述方案，所述步骤1)中坯体的压制工艺为：压力为5～10MPa，保压时间为1～10min。

按上述方案，所述合成反应所用气氛为真空或惰性气体。

按上述方案，所述引发合成反应的方式为钨针放电或电弧引发。