[发明专利]一种微波加热制备BiCuSeO热电块体材料的方法

说明书

本发明涉及一种微波加热制备BiCuSeO热电块体材料的方法，属于热电材料制备技术领域。本发明的一种微波加热制备BiCuSeO热电块体材料的方法，包括以下步骤：步骤一、按照O、Cu、Se、Bi原子比称取各反应原料，然后进行研磨，冷压成型；步骤二、预加热：将冷压成型后的块体置于电阻炉内进行预加热处理；步骤三、微波加热合成、热处理、球磨；步骤四、放电等离子烧结。采用本发明的方法可以快速合成制备得到BiCuSeO热电块体材料，并能够有效改善其热电性能。

技术领域

本发明属于热电材料制备技术领域，具体涉及一种微波加热快速制备BiCuSeO热电块体材料的方法。

背景技术

由于日趋增加的化石能源消耗和环境污染恶化，对废热进行回收正变得越来越引人瞩目。据统计，全球每年约有超过2/3的能源以废热的形式进入大气，将这部分能量变成无二次排放的再生能源具有非常重要的经济和环境价值。热电材料作为一种新型的清洁能源材料，通过Seebeck和Peltier效应，能够直接实现热能和电能的相互转换，同时具有体积小、无噪音、寿命长、无机械可动部分、运行安静可靠、对环境不产生任何污染等突出优点。

在现有热电材料中，BiCuSeO是一种重要的功能材料，其晶体结构为四方结构，晶体由(Bi₂O₂)²⁺和(Cu₂Se₂)^2-层交叠堆垛而成，并且它的Seebeck系数较大，室温下约为400μV/K。同时BiCuSeO还具有很低的本征热导率，室温下约为0.8Wm^-1K^-1，再加上其合成元素具有广泛易得、绿色无毒等特点，从而使其成为中高温热电材料中的热门材料。目前BiCuSeO的制备方法通常包括化合物合成与烧结成型两步，其合成方法主要有三种：机械合金化法、高温固相反应法和自蔓延燃烧合成法。

其中，两步高温固相合成需要在真空预先热处理一段时间，然后在高温继续固相合成20多个小时，长时间的高温易导致晶粒的过度长大，严重影响了其热电性能，使得造价变得昂贵，不利于商业应用。如，S Das等人利用两步高温固相合成烧结制备了掺杂的BiCuSeO块体热电材料(Das S,Chetty R,Wojciechowski K,et al.Appl Surf Sci,2016,418)，其ZT值最大达到了1.09，但其制备周期较长，工序较为复杂，且烧结的温度较高、时间较长，不利于保持较小的晶粒尺寸。

机械合成再结合放电等离子烧结或热压烧结来制备块体BiCuSeO热电合金材料的过程通常需要球磨近9小时(J Am Ceram Soc,2016,99(2):507-514)。由于长时间的球磨容易引入杂质，需要一直通入保护气体。烧结方法主要有热压烧结和等离子放电烧结。热压虽然能有效提高块体合金材料的致密度，在一定程度上保证了材料的电性能，但是制备所得块体合金材料的热导率一般均较高，为降低其热导率还需采用其他复杂工艺，比如烧结时加入纳米第二相等，从而大大增加了制备成本。而等离子烧结法一般需要采用较大的电流才能使材料自身直接加热进行烧结。此外，未掺杂的BiCuSeO在常温下的载流子较小，导致其具有很小的电导率，需要通过低价元素掺杂，铜空位，双空位，带隙调整，晶粒细化，织构化和调制掺杂等来优化性能。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服采用现有工艺制备BiCuSeO块体热电材料存在的以上不足，提供了一种微波加热快速制备BiCuSeO热电块体材料的方法。采用本发明的方法可以快速合成制备得到BiCuSeO热电块体材料，并能够有效改善其热电性能。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种微波加热制备BiCuSeO热电块体材料的方法，包括以下步骤：