一种热电材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开一种组成为Cu

【技术实现步骤摘要】
一种热电材料及其制备方法
本专利技术涉及能源材料
，尤其涉及一种热电材料及其制备方法。
技术介绍
热电器件可以将热能和电能相互转换，其特点是无噪音，无污染，非常适合用于废热的回收利用。热电转换技术本质是一种利用半导体热电材料的塞贝克效应(Seebeck)和帕尔帖效应(Peltier)实现热能和电能直接互相转换的技术。热电优值ZT是用来表征热电材料的热电转换效率的一个无量纲参数，其中Z称为热电优值或品质因子(figureofmerit)，T为温度：ZT＝S2σT/κ式中S是热电势率(Seebeck系数)，σ为电导率，PF＝S2σ为功率因子，κ＝κc+κL(κc为载流子贡献的热导，κL为晶格或声子热导)为材料总热导率。然而对于一个材料来说，S、σ、κ三个物理量相互制约，因为这三个量实质上是由内在的电子能带结构和电子或空穴的散射所决定。目前，尽管有报道在950K下未掺杂的CuGaTe2半导体其热电优值可达到1.4，但这一数据的不确定性在于在950K时材料已经处于相变温度附近，作为块体材料已难以保持其热稳定性并维持其不变形。因此该领域内，大幅提升热电材料的ZT值是有着相当的难度，寻找有效提高ZT值的方法一直是热电
的研究目标。
技术实现思路
基于
技术介绍
存在的技术问题，本专利技术提出了一种热电材料及其制备方法，所述热电材料最高热电优值ZT在773K时高达1.64，因此可以极大地提升热电材料废热发电以及热电制冷方面的应用效率，与此同时，本专利技术所述热电材料的制备方法还具有工艺简便、易于规模规模化生产和实用性强等优点。本专利技术提出的一种热电材料，其化学组成为Cu1-xAgxGa1-yInyTe2，0＜x＜1，0＜y＜1；其中，所述热电材料为黄铜矿CuFeS2型晶体结构，并且，所述热电材料为P型。优选地，在化学式Cu1-xAgxGa1-yInyTe2中，0＜x≤0.6，0＜y≤0.8，进一步优选地，0＜x≤0.4，0≤y≤0.6，其中，x取值可以为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4，y取值可以为0.05、0.1、0.15、0.2、0.25、0.3、0.35、0.4、0.45、0.5、0.55、0.6。优选地，所述热电材料是将CuGaTe2基热电材料中部分Cu元素等摩尔替换为Ag元素，将部分Ga元素等摩尔替换为In元素。优选地，所述组成为Cu1-xAgxGa1-yInyTe2的热电材料中，包含CuGaTe2、AgGaTe2、CuInTe2和AgInTe2的成分畴区，畴区即为晶体中化学组成和晶体结构相同的各个局部范畴。优选地，CuGaTe2、AgGaTe2、CuInTe2和AgInTe2的成分畴区中，任意两畴区之间的畴界及应变畴区强烈散射声子，从而影响热输运(降低热导率)，同时对电输运的影响较小。本专利技术还提出了上述热电材料的制备方法，包括如下步骤：S1、按照化学式Cu1-xAgxGa1-yInyTe2的化学计量比将单质Cu、Ag、Ga、In、Te混合后熔炼，得到组成为Cu1-xAgxGa1-yInyTe2的融锭；S2、将S1得到的融锭进行球磨得到纳米级粉末，再进行烧结得到所述热电材料。优选地，步骤S1中，单质Cu、Ag、Ga、In、Te的纯度均大于99％。优选地，步骤S1中，熔炼的温度为900-1300℃，优选为1050℃，例如还可以为920℃、940℃、950℃、970℃、980℃、1000℃、1020℃、1040℃、1050℃、1070℃、1080℃、1100℃、1150℃、1200℃、1240℃、1260℃或1280℃；熔炼的时间为5-48h，优选为24h，例如还可以为12h、14h、15h、18h、20h、22h、25h、28h、30h、32h、34h、36h、42h、48h、54h、60h、66h或72h。优选地，步骤S1中，升温至熔炼温度的速率为1-10℃/min，例如还可以为2℃/min、3℃/min、4℃/min、5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min或9℃/min。优选地，步骤S2中，球磨为干法球磨，球磨时间为0.5-100h，优选为1h，例如还可以为2h、5h、8h、9h或10h。优选地，所述干法球磨采用的装置为行星式球磨机优选地，步骤S2中，所述纳米级粉末中纳米粉末的体积百分比为0-30％，但不包含0％，优选为0-10％。优选地，步骤S2中，烧结采用热压法烧结或放电等离子火花法烧结，烧结的温度为400-600℃，优选为400℃，例如还可以为420℃、430℃、450℃、465℃、475℃、485℃、490℃、500℃、510℃、520℃、530℃、540℃、550℃、560℃、570℃、580℃或590℃；当烧结温度低于400℃时，得到的产物致密度低，热电性能差；而当烧结温度高于600℃时，原料在高温高压条件下会发生软化，影响样品的制备，甚至导致样品制备失败。优选地，步骤S2中，烧结的时间为5-120min，优选为60min，例如还可以为10min、20min、80min、100min或110min。优选地，步骤S2中，升温到烧结温度的速率为1-180℃/min，例如还可以为5℃/min、10℃/min、15℃/min、20℃/min、25℃/min、30℃/min、40℃/min、50℃/min、60℃/min、70℃/min、80℃/min、90℃/min、100℃/min、110℃/min、125℃/min、145℃/min、155℃/min或170℃/min。优选地，步骤S2中，烧结在真空度为0.1-10Pa，压力为100-1000MPa条件下进行，真空度还可以为0.3Pa、0.5Pa、1Pa、2Pa、3Pa、4Pa、5Pa、6Pa、7Pa、8Pa、或9Pa；压力还可以为15MPa、20MPa、30MPa、50MPa、80MPa、100MPa、150MPa、200MPa、250MPa、300MPa、400MPa、500MPa、600MPa、700MPa、800MPa、或900MPa。与现有技术相比，本专利技术所述热电材料采用Ag、In合金化以降低CuGaTe2基体材料热导率进而提升其热电性能，具体地，采用Ag、In双元素掺杂CuGaTe2基体热电材料，当所替换的Ag、In元素在Cu1-xAgxGa1-yInyTe2中的摩尔分数为0-1时，得到具有优异性能的p型Cu1-xAgxGa1-yInyTe2热电材料，该材料的最佳热电优值ZT在773K时可达到1.64，为该CuGaTe2体系材料中已报道的最高值。与此同时，该材料可采用常规的粉末冶金法制备，具体地，先采用真空熔炼法制备Ag、In双元素掺杂的CuGaTe2粉末，再采用球磨法将所得粉末纳米化，最后通过热压烧结制备得到热电材料，通过调节热电材料中各组分的百分含量，并结合调控各个工序中的参数，实现了双元素掺杂对CuGaTe2基热电材料微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热电材料，其特征在于，其化学组成为Cu

【技术特征摘要】
1.一种热电材料，其特征在于，其化学组成为Cu1-xAgxGa1-yInyTe2，0＜x＜1，0＜y＜1；其中，所述热电材料为黄铜矿型晶体结构，并且，所述热电材料为P型。


2.根据权利要求1所述的热电材料，其特征在于，所述热电材料是将CuGaTe2基热电材料中部分Cu元素等摩尔替换为Ag元素，将部分Ga元素等摩尔替换为In元素。


3.根据权利要求1或2所述的热电材料，其特征在于，所述组成为Cu1-xAgxGa1-yInyTe2的热电材料中，包含CuGaTe2、AgGaTe2、CuInTe2和AgInTe2的成分畴区；优选地，CuGaTe2、AgGaTe2、CuInTe2和AgInTe2的成分畴区中，任意两畴区之间的畴界及应变畴区强烈散射声子。


4.一种根据权利要求1-3任一项所述的热电材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、按照化学式Cu1-xAgxGa1-yInyTe2的化学计量比将单质Cu、Ag、Ga、In、Te混合后熔炼，得到组成为Cu1-xAgxGa1-yInyTe2的融锭；
S2、将S1得到的融锭进行球磨得到纳米级粉末，再进行烧结得到所述热电材料。


5.根据权利要求4所述的热电材料的制备...

【专利技术属性】
技术研发人员：张建，黄露露，宋春军，秦晓英，李地，王玲，辛红星，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34