[发明专利]一种超快速制备n型碲化铋基块体热电材料的方法

说明书

本发明提供了一种超快速制备n型碲化铋基块体热电材料的方法，具体步骤为：1)按Bi₂Te_3‑xSe_x(0≤x≤3)中各元素的化学计量比称量Bi粉、Te粉和Se粉，混合均匀后压制成块；2)将所压块体置于模具中，引发合成反应后在极短时间内迅速加压，保压较短时间即可得到单相Bi₂Te_3‑xSe_x化合物块体材料。本发明采用引发合成反应后迅速加压工艺，在1min内制备出n型碲化铋基块体热电材料，致密度大于98％，在373K可取得最大ZT值0.42，具有工艺简单、设备要求低、制备周期短、节能环保等优点，便于碲化铋基热电材料的大规模工业化生产。

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型碲化铋基块体热电材料的方法。

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＝α²σT/(κ_C+κ_L)，其中α，σ和T分别表示材料的Seebeck系数，电导率和绝对温度，κ_C、κ_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，但是区熔法制备周期长，需要长时间退火，此外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_2.7Se_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。近期，武汉理工大学唐新峰等人(Gang Zheng,J.Mater.Chem.A,2015,3,6603)采用自蔓延高温合成结合等离子活化烧结制备的n-Bi₂Te_2.7Se_0.3，其最大热电优值ZT为0.7。虽然这些方法在一定程度上缩短了制备周期，但是这些方法操作复杂、使用仪器设备昂贵，严重制约材料的大规模生产。

因此发展新的制备周期短、操作简单、设备要求低、适宜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。

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型碲化铋基块体热电材料的方法，该方法不仅具有制备时间短、操作简单、设备要求低、适宜规模化生产，同时所制备块体致密度大于98％，且无量纲热电优值ZT在373K时达到0.42。

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型碲化铋基块体热电材料的方法，该方法为：以Bi、Te和Se作为原料，引发合成反应后采用快速加压工艺制备n型碲化铋基块体热电材料。

上述超快速制备n型碲化铋基块体热电材料的方法，主要步骤如下：