一种铜硅硫基热电材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了属于热电材料技术领域的一种铜硅硫基的热电材料及其制备方法，该材料结构式为Cu8‑xSiS6，其中元素含量x的变化范围为0.01≤x≤0.2。本发明专利技术以硫化亚铜粉末、硫粉末和硫粉为原料，通过真空密封、高温化合、退火、研磨得到热电粉体材料。通过放电等离子烧结致密化得到块体材料。利用本发明专利技术方法制备热电材料具有制备简单、成本低等优点，同时克服了传统热电材料碲化铋、碲化铅等组成元素毒性大的缺点，其在600℃下的热电优值达到了0.25。因此，本发明专利技术具有良好应用前景。

A copper-silicon-sulfur based thermoelectric material and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种铜硅硫基热电材料及其制备方法
本专利技术属于热电能量转换材料
特别涉及一种铜硅硫基热电材料及其制备方法，
技术介绍
热电材料是一种清洁能源材料，它可以利用温度的差异来驱动载流子从高温端向低温度运动，并聚集形成的电压差进行发电，或者利用电势差驱动载流子跨越具有不同能级的材料，从而在异质材料连接处放热或吸热。这种发电或制冷技术，具有无运动部件、无污染排放、不产生噪声等优点，可以应用于各种电子器件的制冷、工业废热回收、汽车发动机的余热发电等。目前，应用较多的热电材料为碲化铋、锑化钴、碲化铅及硅锗，分别适用于常温区、中温区及高温区。它们通常具有较高的电导率和赛贝克系数，较低的热导率等特点。上述广泛使用的热电材料通常由稀有、昂贵或有毒的重元素如铋、铅、碲、钴、锑等组成，而真正的实用化需要大量低成本、环保、无毒的热电材料。最近几年，铜硫族化合物，展现了优异的热电性能，并得到了广泛研究。相比于硒、碲，硫的毒性低、地球含量丰富且成本低，因此，铜硫基化合物更具实用价值。因此，对新的铜硫基热电材料的研究尤为迫切。
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种铜硅硫基热电材料及其制备方法，其特征在于，所述铜硅硫基热电材料的化学结构式为Cu8-xSiS6，其中0.01≤x≤0.2；所述铜硅硫基热电材料的的制备包括以下步骤：1)按照化学计量比，分别称取对应化学计量比重量的硫化亚铜粉末、硅粉末和硫粉，并移入塔曼管中。将该塔曼管置于石英管中，并进行真空密封，真空度为0.1Pa-10-6Pa；2)将该石英管置于电炉中，加热到1050℃，并保持3-5天，然后自然冷却到室温，将石英管中所得到的粉末在研钵中研磨或通过球磨制成微米到纳米级别的热电材料粉末；3)在真空或惰性气氛下，通过放电等离子烧结4-10分钟加热至700℃，在压力40-60MPa下保持5-10分钟，即得到Cu8-xSiS6热电块体材料，其中0.01≤x≤0.2。本专利技术有益效果是利用本专利技术热电材料具有制备简单、成本低等优点，同时克服了传统热电材料碲化铋、碲化铅等组成元素毒性大的缺点，其在600℃的热电优值达到了0.25。因此，本专利技术具有良好应用前景。附图说明图1是制备的Cu3.96SiS6及Cu3.92SiS6热电材料粉末X射线衍射图。图2是制备的Cu3.96SiS6及Cu3.92SiS6热电块体的电导率随温度的变化关系图。图3是制备的Cu3.96SiS6及Cu3.92SiS6热电块体的赛贝克系数随温度的变化关系图。图4是制备的Cu3.96SiS6及Cu3.92SiS6热电块体的热导率随温度的变化关系图。图5是制备的Cu3.96SiS6及Cu3.92SiS6热电块体的热电优值随温度的变化关系图。具体实施方式本专利技术提出一种铜硅硫基热电材料及其制备方法，所述铜硅硫基热电材料的化学结构式为Cu8-xSiS6，其中0.01≤x≤0.2；所述铜硅硫基热电材料的的制备包括以下步骤：1)按照化学计量比，即铜：硅：硫＝(8-x)：1：6；分别称取对应化学计量比重量的硫化亚铜粉末、硅粉末和硫粉，并移入塔曼管中。将该塔曼管置于石英管中，并进行真空密封，真空度为0.1Pa-10-6Pa；2)将该石英管置于电炉中，加热到1050℃，并保持3-5天，然后自然冷却到室温，将石英管中所得到的粉末在研钵中研磨或通过球磨制成微米到纳米级别的热电材料粉末；3)通过放电等离子烧结4-10分钟加热至700℃，在压力40-60MPa下保持5-10分钟，即得到Cu8-xSiS6热电块体材料，按照化学计量比，即0.01≤x≤0.2。下面结合附图和实施例对本专利技术予以进一步说明。实施例1：制备化学组成为Cu7.96SiS6的热电材料1)按照化学计量比，即铜：硅：硫＝7.96：1：6，分别称取对应化学计量比重量的硫化亚铜粉末、硅粉末和硫粉，并移入塔曼管中。将该塔曼管置于石英管中，并进行真空密封，真空度为0.01Pa；2)将该石英管置于电炉中，加热到1050℃，并保温4天，然后自然冷却到室温，将石英管中所得到的粉末在研钵中研磨成微米级别的热电材料粉末；3)对所得到的微米级别的粉末，在氩气气氛条件下，通过放电等离子烧结5分钟加热至700℃，在压力60MPa下保持5分钟，即得到Cu7.96SiS6热电块体材料。实施例2：制备化学组成为Cu7.92SiS6的热电材料，1)按照化学计量比，即铜：硅：硫＝7.92：1：6，分别称取对应化学计量比重量的硫化亚铜粉末、硅粉末和硫粉，并移入塔曼管中。将该塔曼管置于石英管中，并进行真空密封，真空度为0.01Pa；2)将该石英管置于电炉中，加热到1050℃，并保温4天，然后自然冷却到室温。将石英管中所得到的粉末在研钵中研磨成微米级别的热电材料粉末。3)对所得到的微米级别的粉末，通过放电等离子烧结5分钟加热至700℃，在压力40MPa下保持5分钟，即得到Cu7.92SiS6热电块体材料。实施例3：制备化学组成为Cu7.86SiS6的热电材料1)按照化学计量比，即铜：硅：硫＝7.86：1：6，分别称取对应化学计量比重量的硫化亚铜粉末、硅粉末和硫粉，并移入塔曼管中。将该塔曼管置于石英管中，并进行真空密封，真空度为0.01Pa；2)将该石英管置于电炉中，加热到1050℃，并保温3天，然后自然冷却到室温，将石英管中所得到的粉末在研钵中研磨成微米级别的热电材料粉末；3)对所得到的微米级别的粉末，通过放电等离子烧结5分钟加热至700℃，在压力50MPa下保持7分钟，即得到Cu7.86SiS6热电块体材料。实施例4：制备化学组成为Cu7.82SiS6的热电材料，1)按照化学计量比，即铜：硅：硫＝7.82：1：6，分别称取对应化学计量比重量的硫化亚铜粉末、硅粉末和硫粉，并移入塔曼管中。将该塔曼管置于石英管中，并进行真空密封。2)将该石英管置于电炉中，加热到1050℃，并保温4.5天，然后自然冷却到室温。将石英管中所得到的粉末在研钵中研磨成微米级别的热电材料粉末。3)对所得到的微米级别的粉末，在氮气气氛下，通过放电等离子烧结5分钟加热至700℃，在压力55MPa下保持8分钟，即得到Cu7.92SiS6热电块体材料。上述实施例制备的基于铜、硅、硫的热电材料的热导率在600℃约为0.8W/m·K,热电优值最高为0.25。图1是Cu3.96SiS6及Cu3.92SiS6的粉末的X射线衍射图，图1中没有出现明显杂相，图2是合成的Cu3.96SiS6及Cu3.92SiS6块体材料的电导率，可以看出成分为Cu3.92SiS6的块体材料电导率相对较高，这是由于更多的铜缺陷提供了更多空穴，增加了载流子浓度造成的。图3是合成的Cu3.96SiS6及Cu3.92SiS6块体的赛贝克系数，可以看出Cu3.92SiS6块体材料的赛贝克系数相对较低，这是由于其载流子浓度高所造成的。图4是合成的Cu3.96SiS6及Cu3.92SiS6块体材料的热导率，可以看出成分为Cu3.92SiS6的热导低温下较高。图5是合成的Cu3.96SiS6及Cu3.92SiS6块体的热电优值，可以看出Cu3.92SiS6材料的热电优值相对较高，在600℃达到0.25。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种铜硅硫基热电材料，其特征在于，所述铜硅硫基热电材料的化学结构式为Cu8‑xSiS6，其中0.01≤x≤0.2。

【技术特征摘要】
1.一种铜硅硫基热电材料，其特征在于，所述铜硅硫基热电材料的化学结构式为Cu8-xSiS6，其中0.01≤x≤0.2。2.一种权利要求1所述铜硅硫基热电材料的制备方法，其特征在于，所述铜硅硫基热电材料的制备包括以下步骤：1)按照化学计量比，分别称取对应化学计量比重量的硫化亚铜粉末、硅粉末和硫粉，并移入塔曼管中，将该塔曼管置于石英管中，并进行真空密封，真空度为0.1Pa-10-6Pa；2)将该石英管置于电炉中，加热到1050℃，并保持3-5天，然后自然冷却到室温，将石英管中所得到的粉末在研钵中研磨或通过球磨制成微...

【专利技术属性】
技术研发人员：万春磊，宗鹏安，潘伟，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11