[发明专利]一种热电材料快速烧结成型的方法

说明书

本发明公开了一种热电材料快速烧结成型的方法，步骤包括：(1)将热电材料粉体或将粉体压制成的坯料置于成型的模具中；(2)预加烧结成型的压力和电压；(3)放电烧结成型，卸掉压力，取出即得到热电材料。本发明的目的在于提供热电材料快速烧结成型的一种新方法，即以脉冲电流瞬间放电在毫秒级时间内完成热电材料粉末的烧结，从而实现热电材料块体的制备与成型；而且，通过快速成型可以有效抑制晶粒长大，可获得比其它烧结方法更低的热导率，利于提升其整体热电性能；该方法高效、便捷，无需昂贵设备，适用于热电材料的商业化大规模生产。

技术领域

本发明涉及热电技术领域，具体涉及一种热电材料快速烧结成型的方法。

背景技术

进入二十一世纪以来，科技进步推动全球经济快速发展，然而，伴随着经济的飞速发展，不可再生化石能源短缺和环境污染问题日益严重。人们迫切需要找到新型清洁可再生能源来解决能源危机和环境污染问题。热电材料可作为一种能够收集废热而直接将其转化为电能的新型清洁能源材料，同时也可实现热电制冷，且无需制冷压缩机和制冷剂，无噪声、无排放，对解决当前能源危机和环境污染问题具有重要现实意义。热电材料的热电转换效率可由无量纲优值ZT值来衡量：

其中S为Seebeck系数，ρ为电阻率，κ为热导率，T为绝对温度。总体上来看，制约热电材料大规模商业应用的主要因素有两个：一是热电材料的热电性能普遍不高，从而导致其热电转换效率较低；二是热电材料制备工艺复杂，成本高且生产效率低下。当前，块体热电材料的生产制备，主要有两大类，即以区熔法或定向凝固获得块材，或以粉末冶金法制备块体热电材料，即预先制备粉末再进行烧结成型(热压烧结或放电等离子烧结即SPS烧结)获得块材。目前商业生产块体热电材料主要还是采用区熔法，但区熔法制备的晶棒不利于机械加工，且区熔法生产效率低，同时存在严重的原料浪费问题，生产成本较高，且材料的热电性能较差。而基于粉末冶金法制备块体热电材料主要是将机械法或物理化学法制备的热电材料粉末经热压烧结或放电等离子烧结等方法制成块体热电材料。如朱铁军课题组(J.J.Shen et al,Journal of Alloys and Compounds；509(1):161-164,2011)利用热压烧结制备块体Bi_0.5Sb_1.5Te₃合金，并于室温获得0.9的最大ZT值。Babu Madavali等人(BabuMadavali et al,Journal of electronic materials；45(12):6059-6066,2016)通过高能球磨结合SPS烧结制备出ZT值为1的块体Bi_0.5Sb_1.5Te₃合金。

遗憾的是，热压烧结或放电等离子烧结技术(SPS)的烧结设备造价十分昂贵，且生产工艺复杂，制备周期长——升温、保温、冷却的时间达数小时(传统热压烧结法)或数十分钟(SPS)，生产效率低，同时设备的维护复杂且费用高，不适合于热电材料商业化大规模生产。此外，真空热压烧结或SPS烧结(也需真空条件)在长时间升温、保温及降温过程中不可避免地发生晶粒长大，这对于降低材料的热导率及整体热电性能不利。

由上述背景可知，寻求一种新型简单经济高效的热电材料制备成型方法以实现快速成型合成热电材料并同时提升其热电性能，对于热电材料推广应用具有重要意义。

发明内容

本发明的目的是提供热电材料快速烧结成型的一种新方法，即以脉冲电流瞬间放电在毫秒级时间内完成热电材料粉末的烧结，从而实现热电材料块体的制备与成型。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种热电材料快速烧结成型的方法，步骤包括：

(1)将热电材料粉体或将粉体压制成的坯料置于成型的模具中；

(2)预加烧结成型的压力和电压；