一种硫化铜基热电复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术属于热电材料技术领域，公开了一种硫化铜基热电复合材料及其制备方法。一种硫化铜基热电复合材料，其化学通式为Cu(1.8‑m)MmS，其中m为0.05‑0.3，该材料包括基体相Cu1.8S和第二相CuxMySz，第二相CuxMySz以纳米析出物的形式弥散分布在基体相Cu1.8S中。其制备方法包括将CuaMb合金粉体和S单质粉体进行球磨，得到Cu(1.8‑m)MmS粉体；并将Cu(1.8‑m)MmS粉体进行烧结，得到化铜基热电复合材料。本发明专利技术解决了现有的硫化铜热电材料的热电性能不佳的问题。

A Copper Sulfide-based Thermoelectric Composite and Its Preparation Method

The invention belongs to the technical field of thermoelectric materials, and discloses a copper sulfide based thermoelectric composite material and a preparation method thereof. A copper sulfide-based thermoelectric composite material has a general chemical formula of copper (1.8 m) MmS, in which m is 0.05 0.3. The material includes the matrix phase Cu1.8S and the second phase CuxMySz. The second phase CuxMySz is dispersed in the matrix phase Cu1.8S in the form of nano-precipitates. The preparation method includes ball milling of CuaMb alloy powder and S elemental powder to obtain Cu(1.8_m) MmS powder, and sintering of Cu(1.8_m) MmS powder to obtain copper-based thermoelectric composite. The invention solves the problem of poor thermoelectric performance of the existing copper sulfide thermoelectric material.

【技术实现步骤摘要】
一种硫化铜基热电复合材料及其制备方法
本专利技术属于热电材料
，具体涉及一种硫化铜基热电复合材料及其制备方法。
技术介绍
随着不可再生能源的快速消耗及其产生的污染物给环境带来的严重影响，开发新型清洁能源技术迫在眉睫。除风能、潮汐能和太阳能等清洁能源外，自然界和人类活动中还蕴藏能量巨大的耗散废余热未被开发利用。新能源材料能够对一次能源难以被完全利用的多余能量进行二次利用，热电材料就是一种能够直接实现热能和电能相互转换的新能源功能材料。热电材料的热电性能以无量纲热电优值ZT来表征，ZT＝S2σT/κ，S是Seebeck系数，σ是电导率，T是绝对温度，κ是热导率；S2σ称为功率因子，用来表征热电材料的电传输性能。简而言之，有商业应用价值的热电材料需要大的Seebeck系数来保证电压输出，高的电导率来降低焦耳热的耗散，并且需要低的热导率来维持材料两端的温度差。自热电材料发展以来，性能良好的热电材料有Bi2Te3、PbTe、PbS、Si-Ge合金等，但由于这一系列材料在合成过程中需要稀贵金属元素或是有毒元素，因而阻碍了当前绿色高性能热电材料的发展。因此寻找并研究无毒无害，廉价丰富的，可应用于工业化生产方法的元素所构成的化合物作为合适的热电材料也是一项重要的基础工作。Cu1.8S具有合适的禁带宽度(1.2eV)最早作为薄膜太阳能电池和光电子器件而为人们所熟知。近年来其复杂的晶体结构和具有发展潜力的热电性能使得该化合物重新引起科学家们的关注。Cu1.8S具有两种不同的晶体结构：低温(＜364K)六方相(R3-mh)和高温(＞364K)立方相(Fm3-m)。较为特殊的是其高温相结构：Cu离子围绕S离子组成面心立方亚晶格，并且Cu+具有较高的迁移率就如同在熔融态或者溶液中一样。Cu1.8S中存在铜空位，在能带中形成大量导电空穴使得Cu1.8S表现出极好的导电性，此外由于组成该化合物的Cu和S元素丰富、成本低、环境友好等特点，Cu1.8S成为了一种潜在的具有商业化应用价值的热电材料。但是目前该体系的材料的热导率高、Seebeck系数低，因此热电性能较差。因此专利技术人通过大量的研究得出了一种能够提高硫化铜热电性能的复合材料，并提供了其制备方法。
技术实现思路
本专利技术意在提供一种硫化铜基热电复合材料及其制备方法，以解决现有的硫化铜热电材料的热电性能不佳的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案，一种硫化铜基热电复合材料，其化学通式为Cu(1.8-m)MmS，其中m为0.05-0.3，该材料包括基体相Cu1.8S和第二相CuxMySz，第二相CuxMySz以纳米析出物的形式弥散分布在基体相Cu1.8S中。本技术方案的有益效果：1、本技术方案提供了一种新的热电复合材料，具有良好的热电性能。2、本技术方案中的第二相CuxMySz以纳米析出物的形式弥散分布在基体相Cu1.8S中，有助于增强声子的散射作用，从而显著地降低Cu1.8S材料的热导率，最终有利于提高其热电优值。进一步，所述M为Sn、Mn、P或Ni中的一种或几种。有益效果：本技术方案提供的热电复合材料是通过铜合金和S单质粉体制成的，由于在制备热电复合材料的过程中，Cu1.8S基体中的Cu元素仅来自于铜合金，因此需要Cu含量较高的合金，而在制备铜合金时，采用Sn、Mn、P或Ni制备铜合金，能够确保制备的铜合金中Cu元素含量高，且不会出现杂相。铜合金中大量杂相的出现会对制备的热电复合材料的热电性能造成不好的影响，因此本技术方案采用Sn、Mn、P或Ni中的一种或几种来制备铜合金。进一步，所述Cu(1.8-m)SnmS热电复合材料的第二相为Cu4SnS4，且呈正交结构。有益效果：能够实现提高硫化铜基热电复合材料的热电性能。进一步，所述Cu(1.8-m)PmS热电复合材料的第二相为CuP2，且呈单斜结构。有益效果：能够实现提高硫化铜基热电复合材料的热电性能。进一步，所述Cu(1.8-m)(MnNi)mS热电复合材料的第二相为MnS，且呈单斜结构，还包括CuMnNi相。有益效果：能够实现提高硫化铜基热电复合材料的热电性能。本专利技术还提供了另一基础方案，一种硫化铜基热电复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)粉体制备：将CuaMb合金粉体和S单质粉体投放至球磨机中，并在保护性气氛下球磨，得到Cu(1.8-m)MmS粉体；球磨时的球体和物料的重量比为20～50:1，球磨时的转速为300～450rpm，球磨时间为1～6h；步骤(2)烧结：将步骤(1)制得的Cu(1.8-m)MmS粉体利用放电等离子烧结法进行烧结，烧结温度为300～500℃，烧结时间为5～30min，烧结压力为10～50Mpa，得到硫化铜基热电复合材料。本技术方案的有益效果为：1、通过对制备的硫化铜基热电复合材料进行金相分析，发现硫化铜基热电复合材料中存在Cu1.8S基体相和CuxMySz第二相，能够使得其热电性能大幅度的提高。2、在球磨时，通过对球料比、球磨速度和球磨时间的配比，能够使得CuaMb合金粉体与S单质粉体充分的反应，形成Cu(1.8-m)MmS粉体。3、通过对Cu(1.8-m)MmS粉体进行烧结，能够形成块体的Cu(1.8-m)MmS热电复合材料，能够提高热电复合材料的致密度，以及满足实际的使用。4、使用CuaMb合金粉体与单质S粉体反应，能够保证M元素在球磨和烧结过程中稳定存在而不易挥发，最终合成出致密的Cu1.8S基块体复合材料，较高的致密度能够使材料保持较高的电导率，使得制备的Cu1.8S基块体复合材料的热电性能佳。5、所掺杂的元素对于Cu1.8S而言都属于n型掺杂，即在基体材料中引入电子以调节Cu1.8S的空穴载流子浓度，进而优化其Seebeck系数，增加导电性能。进一步，所述步骤(1)中球磨用的球体包括直径为6mm和10mm的球体，且两种球体的总重量相等。有益效果：使用两种不同直径的球体，能够避免球体直径一致导致的球体共转而出现的达不到球磨效果的情况。进一步，所述步骤(1)中球磨时的转速为430rpm，球磨时间为3h。有益效果：通过大量的试验证明，该转速和球磨时间下，CuaMb合金粉体和S单质粉体的反应最充分。进一步，所述步骤(1)中CuaMb合金粉体的纯度大于99％，S单质粉体的纯度大于99.9％。有益效果：高纯度的CuaMb合金粉体和单质S粉体，能够降低杂相的产生量，从而避免制备的热电复合材料的热电性能不佳的情况出现。进一步，所述步骤(2)中烧结温度为450℃，烧结时间为5min，烧结压力为50Mpa。有益效果：通过大量的试验证明，在烧结温度、时间和压力下，制备的硫化铜基热电复合材料的致密度高、热电性能佳。附图说明图1为本专利技术实施例3的透射电镜图；图2为本专利技术实施例4的透射电镜图；图3为本专利技术实施例1与对比例的XRD对比图；图4为本专利技术实施例3与对比例的XRD对比图；图5为本专利技术实施例4与对比例的XRD对比图；图6为本专利技术实施例1、对比例的功率因子随温度变化的曲线图；图7为本专利技术实施例3、对比例的功率因子随温度变化的曲线图；图8为本专利技术实施例4、对比例的功率因子随温度变化的曲线图；图9为本专利技术实施例1、对比例和对比例2的热导率随温度变化的曲线图；图10为本专利技术实施例3、对比本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硫化铜基热电复合材料，其特征在于：其化学通式为Cu(1.8‑m)MmS，其中m为0.05‑0.3，该材料包括基体相Cu1.8S和第二相CuxMySz，第二相CuxMySz以纳米析出物的形式弥散分布在基体相Cu1.8S中。

【技术特征摘要】
1.一种硫化铜基热电复合材料，其特征在于：其化学通式为Cu(1.8-m)MmS，其中m为0.05-0.3，该材料包括基体相Cu1.8S和第二相CuxMySz，第二相CuxMySz以纳米析出物的形式弥散分布在基体相Cu1.8S中。2.根据权利要求1所述的一种硫化铜基热电复合材料，其特征在于：所述M为Sn、Mn、P或Ni中的一种或几种。3.根据权利要求2所述的一种硫化铜基热电复合材料，其特征在于：所述Cu(1.8-m)SnmS热电复合材料的第二相为Cu4SnS4，且呈正交结构。4.根据权利要求2所述的一种硫化铜基热电复合材料，其特征在于：所述Cu(1.8-m)PmS热电复合材料的第二相为CuP2，且呈单斜结构。5.根据权利要求2所述的一种硫化铜基热电复合材料，其特征在于：所述Cu(1.8-m)(MnNi)mS热电复合材料的第二相为MnS，且呈单斜结构，还包括CuMnNi相。6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种硫化铜基热电复合材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤(1)粉体制备：将CuaMb合金粉体和S单质粉体投放至球磨机中，并在...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛振华，张益欣，冯晶，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53