[发明专利]一种调控Cu2Se基块体热电材料性能的方法

说明书

技术领域

本发明涉及热电材料技术领域，尤其涉及一种调控Cu₂Se基块体热电材料性能的方法。

背景技术

热电材料是基于半导体的赛贝克效应和帕尔贴效应实现热能与电能之间直接相互耦合的一类能源转换材料，由于自身具有无污染、无噪音、尺寸小、寿命长、可精确控制等优点，热电材料在低品质废热(汽车尾气、工业余废热、垃圾焚烧等)发电和半导体制冷领域具有广阔的应用前景和潜在的社会经济效益。在环境污染与能源短缺问题日益凸显的今天，热电材料受到了广大科研人员与企业的诸多关注。目前，制约热电材料广泛应用的主要瓶颈是其相对较低的热电转换效率，取决于热电优值ZT＝α²σT/κ，其中α为塞贝克系数、σ为电导率、κ为热导率(包括晶格热导率κ_L和电子热导率κ_e)、T为绝对温度。获得较高热电性能的关键是使材料同时具有较高的α和σ及较低的κ。但是，α、σ、κ这三个参数之间是相互关联的，均受到材料载流子浓度、晶体结构、纳/微尺度等因素的影响。如何平衡三个参数之间的关系以获得ZT值的最优化，实现电、热输运性能的协同调控是提高材料热电性能的核心。

研究开发具有特殊晶体结构的新型热电材料是获得高性能热电材料的有效手段之一，Cu₂Se是近年来提出的一类新型高性能“声子液体”类热电材料，具有典型的“声子玻璃-电子晶体”特征。研究表明随着温度的升高，Cu₂Se将经历一个结构性相转变过程，即由非立方相(α相)变为立方相(β相)。在转变为立方相Cu₂Se的过程中，Cu⁺不再是有序排列，而是随机无序地分布在基体晶胞中构成类液态亚晶格，类液态的Cu⁺对声子有强烈的散射作用，使Cu₂Se在相转变温度附近获得极低的晶格热导率和较高的ZT值，如400K时ZT值可达2.3，这使Cu₂Se成为非常有潜力的一类热电材料。不过虽然Cu₂Se基“声子液体”热电材料获得了较高的ZT峰值，但由于高ZT值是由Cu₂Se相变引起，故高性能仅出现在相转变温度附近，即最佳性能温区较窄，不利于Cu₂Se基热电材料的实际使用，这限制了Cu₂Se在热电领域的进一步应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种调控Cu₂Se基块体热电材料性能的方法，经该方法调控后的Cu₂Se基块体热电材料具有不同的相变温度与最佳性能温区，且调控方法简单、易操作、成本低廉、便于大规模生产。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种调控Cu₂Se基块体热电材料性能的方法，包括：

步骤1、将制备Cu₂Se基块体热电材料的初始粉体原料真空密封于石英玻璃管中进行高温熔炼处理，得到Cu₂Se基铸锭；

步骤2、将所得到的Cu₂Se基铸锭进行研磨-过筛处理或球磨处理，获得一系列具有不同颗粒尺寸的Cu₂Se基粉体材料；

步骤3、将所得到的具有不同颗粒尺寸的Cu₂Se基粉体材料在相同条件下分别进行放电等离子烧结，得到一系列具有不同相变温度和最佳热电性能温区的Cu₂Se基块体热电材料。

在所述步骤1中，具体过程为：

称取适量Cu、Se元素作为制备Cu₂Se基块体热电材料的初始粉体原料放入石英玻璃管中，将石英玻璃管进行抽真空密封处理，置于1050℃～1200℃的高温炉中熔炼24小时～72小时，得到Cu₂Se基铸锭。

在所述步骤2中，进行研磨-过筛处理的过程具体为：

将所得到的Cu₂Se基铸锭置于玛瑙研钵中进行充分研磨，研磨后的粉体分别选择80目～300目之间的筛子进行过筛处理。

在所述步骤2中，进行球磨处理的过程具体为：

在手套箱中将所得到的Cu₂Se基铸锭放置于球磨罐中，采用不同的球磨时间对Cu₂Se基铸锭进行球磨处理，球磨时间选择范围为4小时～24小时。

在所述步骤3中，在进行烧结处理的过程中：