[发明专利]一种复合热电材料及其制备方法

说明书

本发明提供了一种复合热电材料及其制备方法，属于热电材料技术领域，所述复合热电材料包含Cu、La、Se、N掺杂SiC，其中N掺杂SiC粒径均小于100nm，N掺杂SiC的含量为0.1‑1质量％，Cu与Se的比例为1.5‑1.9:1。本发明制备的复合热电材料的热电性能、力学性能得到了大大提高。

技术领域

本发明属于热电材料技术领域，具体涉及一种纳米复合热电材料及其制备方法。

背景技术

化合物半导体为由至少两种类型的元素而不是一种类型的元素(例如硅或锗)构成并且用作半导体的化合物。已经开发出了各种类型的化合物半导体并且这些化合物半导体目前正用于各种工业领域。通常，化合物半导体可以用于利用佩尔捷效应(PeltierEffect)的热电转换元件、利用光电转换效应的发光装置(例如发光二极管或激光二极管)和燃料电池等。

特别地，热电转换元件用于热电转换发电或热电转换冷却应用，并且通常包括以串联的方式电连接并且以并联的方式热连接的N型热电半导体和P型热电半导体。热电转换发电是通过利用借助于在热电转换元件中产生温差而产生的热电动势使热能转换成电能而发电的方法。此外，热电转换冷却是通过利用当直流电流流过热电转换元件的两端时在热电转换元件两端之间产生温差的效应使电能转换成热能而产生冷却的方法。热电转换元件的热电转换效率一般取决于热电转换材料的性能指标值或ZT。在此，ZT(热电优值)可以根据塞贝克系数(Seebeck coefficient)、电导率和热导率来确定，并且随着ZT值增大，热电转换材料的性能更好。现在已经提出并开发了许多可用于热电转换元件的热电材料，并且其中，提出了将CuxSe(x≤2)作为Cu-Se基热电材料并且正在开发这种材料。

特别地，最近报道了在CuxSe(1.98≤x≤2)中实现了较低的热导率和高热电优值。然而，在600℃至727℃下观察到相当好的热电优值，但发现在低于或等于600℃的温度下热电优值非常低，平均小于1.3。虽然热电材料在高温下具有高热电优值，但是如果该热电材料在低温下具有低热电优值，那么这样的热电材料不是优选的，特别是，不适于用于发电的热电材料。即使这样的热电材料被应用于高温热源，该材料的某个区域也会由于该材料本身的温度梯度而经受比期望的温度低许多的温度。因此，需要开发如下热电材料：该热电材料在小于600℃(例如100℃至600℃)的温度范围中仍然具有1.6的高热电优值。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种复合热电材料，所述复合热电材料包含Cu、La、Se、N掺杂SiC，其中N掺杂SiC粒径均小于100nm，N掺杂SiC的含量为0.1-1质量％，Cu与Se的比例为1.5-1.9:1，La的含量为1-5质量％。

进一步地，其中Cu与Se的比例为1.8:1。

进一步地，其中，SiC中N掺杂的含量为0.5质量％。

进一步地，其中，N掺杂SiC的粒径为50nm。

进一步地，其中，所述La的含量为2％。

本发明还提供了制备上述的复合热电材料的方法，其中，所述方法包括

1)将N掺杂SiC粉末进行球磨混合至粒径100nm以下；

2)按比例以Cu粉、La粉、Se粉为原料，研磨形成颗粒后在真空密封环境下进行熔炼后，加入步骤1制得的的粉末，搅拌均匀，冷却；

3)步骤2制得的的固溶体研磨成粉，将研磨的粉装入石墨模具中，将模具置于放电等离子烧结炉腔体中烧结得到产品。

进一步地，其中，步骤4中放电等离子烧结炉腔体的烧结条件为：施加30-2GPa的轴向压力，真空条件下烧结，以100-150℃/min的升温速率升温，烧结温度为800～900℃，保温10～20min，随炉冷却至室温。