一种Cu2Se基热电复合材料及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种Cu2Se基热电复合材料及其制备方法，所述Cu2Se基热电复合材料包括：Cu2Se基质，以及分散于Cu2Se基质中的SiC晶须；所述SiC晶须的质量含量不超过2wt%。所述SiC晶须的质量含量不超过2wt%。所述SiC晶须的质量含量不超过2wt%。

【技术实现步骤摘要】
一种Cu2Se基热电复合材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种兼具高热电性能和高力学性能的Cu2Se基热电复合材料及其制备方法，属于新能源材料


技术介绍

[0002]作为解决全球能源危机和减少温室气体排放的一种手段，热电(TE)技术正受到越来越多的关注。通过使用TE技术，可以从大量的废热直接发电，而这些废热目前很难再利用。TE技术具有无移动部件，无噪音和出色可靠性的优点，并且在从汽车和工业运营中收集废热等应用中具有巨大潜力。一个TE材料的能量转换效率主要由热电材料的热电优值决定zT(＝α2σT/κ)，其中，α是塞贝克系数，σ是电导率，T是绝对温度，κ是热导率。为了实现高能量转换效率，需要大的α和σ以及低的κ。所以，高zT值的材料具有高性能。目前，世界广泛研究的热电材料主要为：Bi2Te3、SnSe、PbTe,方钻矿、SiGe、Cu基类金刚石类热电材料，Cu2Se基类液态热电材料，Half
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Heusler合金热电材料等等。
[0003]近年来，Cu2Se基热电材料因其具有良好的电性能与极低的热导率所以在热电材料中拥有较为高的性能而引起广泛的关注。Cu2Se是一种具有＂声子液体—电子晶体”特征的热电材料。Cu2Se在400K左右会有明显的相变点，由α
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Cu2Se转变为β
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Cu2Se,并在相变点具有极高的塞贝克系数。在高温下，β
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Cu2Se为反萤石结构相，具有良好的电输运通道，并且Cu离子都在晶格间隙位置可以进行自由迁移，从而对声子产生强烈散射，降低了声子的平均自由程，拥有极低的热导率；通过固溶掺杂、能带工程等各种工艺优化后，Cu2Se材料基体的ZT值能够在1000K温度下达到1.5左右，在中高温区工业余废热回收发电领域具有重要应用前景。然而，Cu2Se基材料自身力学性能较差，限制了其实际应用。开发兼具高热电性能和高力学性能的Cu2Se基材料对于其实际应用至关重要。

技术实现思路

[0004]针对已有的高性能热电材料力学性能低的不足，本专利技术提供了一种采用球磨外加纤维或者晶须补强和增硬增韧的简单合成方法制作合成Cu2Se基热电复合材料，在优化材料的热电性能的同时提高其力学性能。
[0005]一方面，本专利技术提供了一种Cu2Se基热电复合材料，包括：Cu2Se基质，以及分散于Cu2Se基质中的SiC晶须；所述SiC晶须的质量含量不超过2wt％，优选不超过1wt％。其中，SiC晶须的引入会在原位形成很多碳界面，这将会极大地提高复合材料的断裂韧性。而且，还能能够降低热电材料的电导率，这对提升热电材料的综合热电性能是有益的(图2)，同时衡量热电材料性能好坏的指标ZT值(图6)也是在材料复合之后得到了提升。所得材料的热导率(如图2)随着复合含量的增加降低，基本降低到了接近该材料体系最低的的极限值范围了，其次材料的硬度(如图7)随着复合增量的增加已经有所提升且到后面随含量增加趋于平缓。因此，再增加复合材料中SiC晶须含量对力学性能提升变化不大且很可能降低材料的电导率。
[0006]较佳的，所述SiC晶须的直径为200nm～2μm，长度为5μm～80μm。
[0007]另一方面，本专利技术还提供了一种Cu2Se基热电复合材料的制备方法，包括：(1)将铜粉、硒粉和SiC晶须进行球磨混合，得到混合粉体；(2)将混合装入喷有BN涂层的石墨模具中，在真空气氛下进行放电等离子烧结，得到Cu2Se基热电复合材料。本专利技术还针对Cu2Se不易通过传统熔融方法复合的问题，引入球磨法合成材料，既提高了合成效率，又提升了材料性能，具有简单高效的优点。
[0008]较佳的，球磨混合所用球磨罐的材质为WC硬质合金。
[0009]较佳的，所述球磨混合的转数为2000～5000转/分，时间为1～100小时。
[0010]较佳的，所述放电等离子烧结的温度为573K～873K，时间为1分钟～100分钟，烧结压力为20～60MPa。
[0011]较佳的，将所得Cu2Se基热电复合材料在400～600℃下进行退火处理10～100小时。
[0012]有益效果：与传统熔融法相比，本专利技术的制备方法合成工艺简单，效率高，合成的材料组分精准，能将基体与大部分第二相材料进行复合，设备成本便宜，适宜大规模工业生产。
[0013]本专利技术从降低热导率和提升力学性能的角度入手，既提高了材料的热电性能又提高了材料的力学性能，实现了引入第二相复合物质的同时提升材料两个不同方面的性能，在材料制备科学及商业化应用领域具有重大意义。
附图说明
[0014]图1为本专利技术中合成复合材料的制备及测试流程图；图2为实施例1和2中制得的Cu2Se基热电复合材料的热导率，从图2中可知随着复合的SiC晶须含量的增加，材料的热导率逐渐降低，这是有利于材料热电性能的提升的；图3为实施例1和2中制得的Cu2Se基热电复合材料的电导率，从图中可知随着SiC含量的增加，材料的电导率略有升高，这也是利于热电材料性能提升的；图4为实施例1和2中制得的Cu2Se基热电复合材料的塞贝克系数，从图中可知随着SiC含量增加，材料的塞贝克系数逐渐降低，这个物理量的降低会降低材料综合热电性能的，然而降低并不是很大，所有对总热电性能影响不大；图5为实施例1和2中制得的Cu2Se基热电复合材料的功率因子，从图中可知随着含量增大，功率因子略微降低，这个物理量的降低同样会降低材料综合热电性能的，然而降低也并不是很大，所有对总热电性能影响不大；图6为实施例1和2中制得的Cu2Se基热电复合材料的热电优值，从图中可知随着含量增加，热电优值(zt值)逐渐提高，这个就是之前所说的衡量热电材料热电性能好坏的指标，这个提升说明热电材料性能略有提升；图7为实施例1和2中制得的Cu2Se基热电复合材料的力学硬度曲线，从图中可知随着复合含量的增加，力学性能的硬度逐渐增大，这说明了材料的力学性能是有所提升的。
具体实施方式
[0015]以下通过下述实施方式进一步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本
专利技术，而非限制本专利技术。
[0016]本专利技术提供了一种工艺简单、耗时少、性能优良的Cu2Se基热电复合半导体材料的制备方法。具体来说，利用球磨法，将微米级的SiC晶须引入Cu2Se材料中，成功获得了兼具高热电性能和高力学性能的Cu2Se基材料。本专利技术便捷简单，易于大批量制备。以下示例性地说明Cu2Se基热电复合材料的制备方法。
[0017]将铜粉、硒粉在手套箱中按照2：1的摩尔比混合均匀装入球磨罐中，再向球磨罐中加入SiC晶须，并将球磨罐封装于套筒中。基体材料的尺寸粒径在0.5～10μm，选择的SiC晶须要求尺寸为微米级，其有益效果是该尺寸范围有利于增强提高性能，过小起不到增强力学性能的效果，过大则会破坏晶体结构也会使力学性能变差。所需要的球磨罐材质为WC硬质合金，其有益效果是WC的材质能够承受较长时间的球磨且不会与粉体反应；在手套箱中配料封装的目的是为了使球磨罐中本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种Cu2Se基热电复合材料，其特征在于，包括：Cu2Se基质，以及分散于Cu2Se基质中的SiC晶须；所述SiC晶须的质量含量不超过2wt%。2.根据权利要求1所述的Cu2Se基热电复合材料，其特征在于，所述SiC晶须的直径为200 nm～2μm，长度为5μm～80μm。3.一种权利要求1或2所述的Cu2Se基热电复合材料的制备方法，其特征在于，包括：（1）将铜粉、硒粉和SiC晶须进行球磨混合，得到混合粉体；（2）将混合装入喷有BN涂层的石墨模具中，在真空气氛下进行放电等离子烧结，得到Cu2Se基热电复合材料。4.根据权利要求3所述的制备方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈立东，吴锐，史迅，仇鹏飞，岳仲谋，
申请(专利权)人：上海科技大学，
类型：发明
国别省市：