[发明专利]一步高效合成CoSb3基高性能热电材料的方法

说明书

本发明涉及一步高效合成CoSb3基高性能热电材料的方法，属于热电材料及应用领域。通过调控稀土元素Yb的添加含量以调控Co‑Sb合金在Co:Sb为1：3处直接进行的包晶凝固过程可以反应完全，高效简捷获得单相CoSb3热电材料。稀土元素Yb除了可以调控包晶凝固过程的相转变过程还可以在后期热电性能测试中提升热电性能，使得稀土Yb全过程发挥作用。该方法简单易行，重复性高，可以批量进行而且性能提升显著。对于热电器件的应用和生产具有重要影响。

技术领域

本发明属于热电材料及应用领域，具体涉及一种一步高效合成CoSb3基热电材料的方法。

背景技术

热电材料可以通过塞贝克效应和帕尔贴效应实现热能和电能的直接相互转化，既能够提高能源利用效率也能够提供特殊的供电或制冷需求。在汽车尾气余热利用、工业废热发电、星际探测供电，芯片换热等方面热电材料发挥着不可替代的作用。热电转换效率通常用无量纲ZT值表征，ZT＝(α²σT)/k，其中α为Seebeck系数、σ为电导率、k为热导率、T为绝对温度、PF＝α²σ为功率因数。

根据应用的温度区间可以把热电材料分为室温热电材料，中温热电材料和高温热电材料。其中室温热电材料主要利用人体的体温和环境温度的差异进行热电转换，可以进行人体健康检测以及驱动一些电子元件，例如电子手表。而中温热电材料主要面向工业废热的二次利用以及汽车尾气余热利用，可以很大程度提高能源利用效率。因此中温热电材料具有广阔的应用需求。

方钴矿基CoSb₃作为中温区极具应用潜力的热电材料，由于具有无毒、稳定、性质易于调控等特点备受关注。根据Co-Sb合金相，合成纯净的单相CoSb₃合金具有较大难度。因为，按照Co:Sb的摩尔比为1：3进行配比熔炼时，在凝固过程中分别在936℃发生包晶反应CoSb+L→CoSb₂，在874℃发生包晶反应CoSb₂+L→CoSb₃。凝固过中两个包晶反应不能完全进行而使得最终样品残留较多的杂相，分别包括CoSb相、CoSb₂相和Sb相。这些杂相的存在使得CoSb₃材料的热电性能急剧恶化。获得高体积分数的CoSb₃相是提升热电性能的基本保证。为了获得高体积分数的CoSb₃相，目前常用的制备技术选择避免发生包晶反应的方法。公开发表的“一种固相反应法快速制备CoSb₃的方法”专利(CN109604605A[P].2019)中通过Co粉和Sb粉按1：3比例混合-高能球磨-压缩成型-真空烧结的固相反应过程获得了单相方钴矿样品。然而该工艺流程较繁琐且高能球磨过程粉末容易发生氧化。另外，为了避免包晶反应的不完全，同时避免粉末球磨过程的氧化，公开发表的专利“一种高效制备纯净CoSb₃基中温热电材料的方法”(CN108754230B[P].2020)则通过选取Co-Sb亚共晶区间的成分在TGZM效应下获得高纯度的CoSb₃材料。这种工艺下所获得样品纯度高，但每次所获得样品的数量较少且要控制稳定的温度梯度，为了保证液相迁移完全需要较长的静态等温处理时间。因此，在高效短流程的工艺下获得纯净的单相CoSb₃材料对于CoSb₃热电材料的实际应用意义重大。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提供一种高效合成CoSb3基高性能热电材料的方法。通过凝固工艺控制，添加稀土元素Yb在Co：Sb为1：3配比下促进两次包晶反应完全发生，以高效获得大量单相热电CoSb3组织，为热电器件的构建提供可靠的材料支持。

技术方案

一步高效合成CoSb3基高性能热电材料的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：成分设计与称量