[发明专利]一种铜基硫属化合物热电复合材料及其制备方法

说明书

本发明属于热电材料技术领域，公开了一种铜基硫属化合物热电复合材料及其制备方法。该材料的化学通式为Cu_1.8S‑CuO，该材料包括主相Cu_1.8S以及第二相CuO，第二相CuO均匀地分布在主相Cu_1.8S中；还包括气孔，气孔亦均匀分布在主相Cu_1.8S中。制备方法包括三个步骤，分别为Cu单质粉体和S单质粉体的固相烧结，得到Cu_1.8S铸锭；Cu_1.8S铸锭和碱式碳酸铜的球磨混合；Cu_1.8S‑Cu₂(OH)₂CO₃混合粉体的放电等离子烧结。本发明提供的材料服役稳定性强、热电性能优。

技术领域

本发明属于热电材料技术领域，具体涉及一种铜基硫属化合物热电复合材料及其制备方法。

背景技术

热电能源转换技术是一类能够实现热能与电能之间直接且相互转换的清洁能源技术，该技术有望提高目前较低的能源综合利用率(约40％)并缓解能源危机，由热电材料制备而成的热电器件具有无活动部件、无噪声、长效稳定等特点。高性能热电器件由高性能的p型和n型热电材料串联而成，具有较为广泛的应用，在热释电领域，可以应用在深太空探测电力供应和汽车尾气余热回收；而在电生温差方面，主要应用在电子元件制冷和小体积制冷冰箱等。

目前具有高性能的热电材料有Bi₂Te₃、PbTe、PbS、Si-Ge合金等，但这些材料涉及到稀贵金属或有毒有害元素，要么价格昂贵，要么有违绿色高性能热电材料的发展理念。因此寻找并研究无毒无害、廉价丰富、可应用于工业化生产方法的元素所构成的化合物作为热电材料，便是行业内非常重要的基础工作。

Cu_1.8S材料是一类本征的p型半导体，材料的禁带宽度为1.2eV左右，适用于光电及热电材料应用，并且该材料具有元素丰富、成本低廉、环境友好的特点，备受热电研究人员的关注。Cu_1.8S材料在高温下具有超离子导体的特征，即Cu离子在阴离子S^2-构成的晶格框架中具有极高的迁移率，并且相较于Cu₂S材料具有更高的空穴载流子浓度，因此具有更佳的电导率。同时Cu离子的快速迁移行为也会对声子的传播进行散射，因此Cu_1.8S材料也具有极低的晶格热导率。

然而，Cu_1.8S材料在环境温度达到其相转变温度(约90℃)时，Cu离子会发生高速迁移，使得部分位置上的Cu离子浓度低于维持晶体结构的临界值，从而导致Cu_1.8S表面的S更容易挥发，热电性能减弱，稳定性不好。有研究人员提出了引入碳或金属离子阻挡层，将Cu_2-xS材料制备成多段式热电材料以提高其稳定性，但该方法不利于批量化生产，且阻挡层与基体材料间的结合强度低于整段式材料的机械强度。为此，发明人及其研发团队进行了相关的研究、探索、试验、分析，最终得到了本发明的方案。

发明内容

本发明意在提供一种铜基硫属化合物热电复合材料及其制备方法，以解决现有技术Cu_1.8S材料作为热电材料稳定性不佳的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下基础方案一，一种铜基硫属化合物热电复合材料，该材料的化学通式为Cu_1.8S-CuO，该材料包括主相Cu_1.8S以及第二相CuO，第二相CuO均匀地分布在主相Cu_1.8S中；还包括气孔，气孔亦均匀分布在主相Cu_1.8S中。