[发明专利]一种超快速制备n型碲化铋基高性能热电材料的方法

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n型碲化铋基高性能热电材料的方法。 

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=a²s T/ (k_C+k_L)，其中a，s和T分别表示材料的Seebeck系数，电导率和绝对温度，k_C、k_L分别为载流子热导率和晶格热导率。 

碲化铋基热电化合物是国际上研究最早，也是目前发展最为成熟的低温热电材料，广泛应用于热电制冷器件。目前，商业应用的碲化铋基热电材料是采用区熔法制备的，n型碲化铋基热电材料最高zT值为0.80-1.0，p型碲化铋基热电材料最高zT值为0.90-1.1。但是区熔法制备的碲化铋基材料取向性大、机械加工性差，导致实际器件应用中损坏较大，不利于器件的长期服役和大规模应用，因此近几年很多科学家和学者致力于研究热电性能和机械性能均优异的碲化铋基热电材料。陈立东等人（Jun Jiang et al, Materials Science and Engineering，2005,117,334-338）利用等离子烧结法制备的n-Bi₂Te_2.7 Se_0.3，其最大热电优值zT 为0.8，同时也获得了比区熔样品高出7~8 倍的抗弯强度。唐新峰等人（Shanyu Wang, J. Phys. D: Appl. Phys, 2010, 43, 335404）采用熔融旋甩结合放电等离子烧结制备的n-Bi_1.9Sb_0.1Te_2.55Se_0.45，其最大热电优值zT为1.0。但是这些方法工艺复杂、制备周期长、使用仪器昂贵、成分难以精确调控，严重制约材料的大规模生产，因此发展新的能精确控制材料成分、制备周期短、便于工业化生产的高性能碲化铋基块体热电材料的制备技术是其研究面临的重要课题。 

自蔓延燃烧合成是利用反应自身放热来合成制备材料的新技术。它具有反应时间极短、工艺简单、对设备要求低、节能环保、适宜规模化生产等优点。等离子活化烧结是在真空条件下，通过上下石墨压头对样品进行加压，同时利用脉冲电流进行表面活化和直接加热，能够在较短时间内实现材料的致密化。鉴于自蔓延燃烧合成和等离子活化烧结制备技术的众多优点，我们有望将其应用到碲化铋基热电材料的研究中来解决其面临的众多课题。 

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n型碲化铋基高性能热电材料的方法，该方法不仅具有制备时间短、工艺简单、适宜规模化生产，同时所制备的产物无量纲热电优值zT在426 K时达到0.95，300 -520 K时zT值均大于0.7。 

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n型碲化铋基高性能热电材料的方法，它包括以下步骤：

1）按化学式Bi₂Te_3-xSe_x中各元素的化学计量比称量Bi粉、Te粉和Se粉作为原料，其中x大于等于0且小于等于3，并将Bi粉、Te粉和Se粉混合均匀后，压成块体；

2）将步骤1）所述块体采用直接起爆或恒温起爆的方式引发自蔓延反应，反应完成后自然冷却，得到单相化合物Bi₂Te_3-xSe_x块体；