[发明专利]一种自蔓延燃烧合成超快速制备高性能CoSb3基热电材料的新方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源材料制备技术领域，具体涉及一种快速制备高性能CoSb₃基热电材料的新方法。

背景技术

当今，人类赖以生存的自然环境已日渐恶化并且化石能源在迅速的衰竭，故而对环境友好型可再生的新能源的研究开发与应用已经成为全世界面临的共同课题。为缓解环境恶化与能源消耗的负担，世界范围内很多科学工作者都将目光聚焦于寻找和开发可再生的新能源。

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。这种技术具有结构简单、可靠性高、运行成本低、寿命长、无传动部件、无噪音、无污染、使用温度范围广等优点。热电材料温差发电不仅是当前深空探测领域的最主要的能源供应,而且在汽车尾气和其它工业余热发电、太阳能和地热温差发电等高新技术领域都已获得了普遍应用。而热电制冷技术在冷却电子器件(红外、远红外探测器、高速芯片等)、医疗器材及高温超导等方面以及航天飞行器、潜艇等用空调设备等许多重要领域都有非常广阔的应用前景。

对于热电器件，高转换效率需要材料高的ZT值，其中ZT=as²T/k，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为材料的热导率。因此，寻找具有高的ZT值的热电材料是热电材料研究领域的前沿课题。

CoSb₃基体系的热电材料，具有优异的电性能和较低的热导率，因而具有较高的ZT值。同时，CoSb₃有很多优点：原材料成本低，块体机械性能好，组成元素更加环保，合成工艺成熟简单，服役性能稳定等。

目前，制备CoSb₃基热电材料的方法主要采用长时间扩散熔融退火法和熔体旋甩等方法。然而，熔融退火法一般需要7-14天，周期太长，不利于商业化应用。虽然熔体旋甩法极大的缩短了制备时间，但是其单次甩带质量有限并且对操作设备的要求较高。因此，一种简单快捷、能耗少、重复性好的合成方法对于制备CoSb₃基热电材料来说，显得非常重要。

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高性能CoSb₃基热电材料的新方法，这种方法具有反应速度快、工艺简单、重复性好、高效节能并且制备的材料热电性能优异等优点。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种超快速制备高性能CoSb₃基热电材料的新方法，它包括以下步骤：

1）按Co_4-xM_xSb_12-yTe_y各元素的化学计量比进行称取Co粉、M粉、Sb粉、Te粉作为原料，其中0≤x≤1.0，0≤y≤1.0，M为Fe或Ni，然后将原料粉末研磨混合均匀，将混合均匀的粉末压成块状胚体； 

2）将步骤1）所得块状胚体引发高温自蔓延合成反应（SHS，Self-propagating High-temperature Synthesis）反应完成后自然冷却，均可得到单相CoSb₃化合物；

3）将步骤2）所得产物研磨成粉末，进行放电等离子体活化烧结（PAS，Plasma Activated Sintering），得到纯单相高性能CoSb₃基热电材料。

上述方案中，所述步骤1）中Co粉、Sb粉、Te粉、M粉的质量纯度均??99.9%；压制工艺为：4MPa下保压5min。

上述方案中，所述步骤2）中自蔓延反应采用点加热方式对块状胚体的端部进行加热，局部起爆引发自蔓延反应。

上述方案中，所述步骤2）中自蔓延反应中使用空气气氛或真空。

上述方案中，所述步骤3）粉末进行等离子体活化烧结的过程为：将粉末装入直径为15mm的石墨模具中压实，然后在真空小于10Pa和烧结压力为40MPa条件下进行烧结，以100℃/min的升温速率升温到650℃，烧结致密化时间8min。