本发明专利技术属于能源材料技术领域，特别涉及一种微量Cu掺杂Bi2S3基热电材料，该热电材料以纯度为99.99%金属单质Bi、Cu粉及单质S粉为原料，按照化学通式CuxBi2-xS3（其中x为Cu组成元素的摩尔分数，x取值范围为0.001≤x≤0.05）配置，采用机械合金化法结合放电等离子烧结技术制备成块体材料。该方法能够简单、方便地制备出微量Cu掺杂Bi2S3块体热电材料，微量Cu进入Bi2S3晶格，提高样品的载流子浓度，优化功率因子，并且形成与基体结构共格的Cu-S纳米析出物，大幅降低热导率，使得Bi2S3基块体材料的热电性能得到大幅提升。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于能源材料
，特别涉及一种微量Cu掺杂Bij3基热电材料。
技术介绍
随着社会经济的不断发展，环境和能源问题越来越被人类所重视。热电材料能够直接实现热能和电能的相互转化，热电器件无污染、零排放并且结构轻便、体积小、寿命长，日益受到人们的关注。以热电器件为核心元件的热电模块在半导体制冷、温差电池等方面有着广泛的应用前景。在与常规的制冷方式和传统电源的竞争中，热电器件实现广泛应用的关键是提高热电制冷和热电发电的效率。热电性能以无量纲热电优值ZT来表征， ZT=TS2 O/K，S是赛贝克系数，O是电导率，K是热导率，T是绝对温度；S20称为功率因子，用来表征热电材料的电传输性能，热导率κ是载流子热导率^和晶格热导率之和。性能良好的热电材料需要具有高的功率因子和低的热导率。但是上述各物理量相互关联，都与载流子浓度有关，高的载流子浓度有利于获得高的功率因子，但也会使载流子热导率上升，因此提高材料的热电性能必须控制合适的载流子浓度，并且降低晶格热导率。提高块体材料热电性能的方法有掺杂、织构、成分控制等。这些方法在提高功率因子的同时， 热导率小幅增加；或者功率因子略微下降的同时，热导率大幅下降，综合影响热电优值的提升。Cu是一种良导体，具有变价，虽然是一种常用的掺杂元素，但目前还未见到有关 Cu掺杂Bij3基热电材料的相关报道。同时Cu不同于其他掺杂元素，Cu与S极易形成可用通式Cu2_xS (O^x^ 1)表示的一系列化合物。因此如果在Bij3中进行Cu掺杂实验时， 虽然Cu掺杂能部分程度优化载流子浓度，这与其他元素掺杂效果类似，有利于改善其功率因子。但当Cu掺杂量较大或控制不当时，Cu与S容易形成第二相杂质，将会导致体系的电阻率大幅增加，室温下相比纯Bij3的电阻率剧增3个数量级以上，不利于热电性能的提升。 本申请专利恰恰是利用Cu与S极易形成Cu2_xS (O^x^ 1)系列化合物的特性，将第二相杂质控制在纳米尺度，使其在基体组织中形成大量与基体相结构共格的Cu-S纳米析出物， 在优化其功率因子的同时大幅降低其晶格热导率，达到提升热电性能的目的。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了能够简单、方便、精确地制备出微量Cu掺杂的财2&基块体材料，解决热电材料性能优化过程中，难以同时提高功率因子和降低热导率的问题，大幅提高 Bi2S3基块体材料的热电性能。本专利技术的技术方案是一种微量Cu掺杂Bij3基热电材料，该热电材料以纯度为 99. 99%金属单质Bi、Cu粉及单质S粉为原料，按照化学通式CurBi2-J3 (其中ζ为Cu组成元素的摩尔分数，χ取值范围为0. 0010. 05)配置，混合均勻，采用机械合金化法结合放电等离子烧结技术制备成块体材料。本专利技术的原理是过控制各种原料的加入量，精确控制各元素的化学计量比，使得在机械合金化过程和放电等离子烧结过程中微量的Cu进入Bij3晶格中，调节载流子浓度， 提高功率因子并形成与基体相结构共格的Cu-S纳米析出物，在不影响电导率的情况下，大幅降低其晶格热导率。本专利技术的有益效果是该方法能够简单、方便、精确地制备出微量Cu掺杂的Bij3 基块体热电材料，通过微量Cu的掺入既提高样品的功率因子又大幅降低样品的热导率。附图说明图1本专利技术一种微量Cu掺杂硫化铋基热电材料块体的断口扫描电镜照片。图2本专利技术一种微量Cu掺杂硫化铋基热电材料的TEM照片。具体实施例方式实例1按Cu: Bi S摩尔比0. 001:1. 999 3分别称量高纯的(99. 99%)Cu粉、Bi粉和S粉，混合，放入球磨罐中，抽真空后充入Ar气，循环三次，使Ar气充满球磨罐，将球磨罐密闭。然后将球磨罐放入球磨机，400 rpm球磨10h，完毕后将球磨罐取出，往球磨罐中注入100 ml 无水乙醇，在此过程中，保持Ar气流通，以免破坏惰性保护气氛，250 rpm湿磨30分钟。将粉取出，放入干燥箱干燥，温度为80 °C，时间为2 h。干燥粉末用放电等离子烧结成块体， 模具直径为20 mm，升温速度为100 V /min，温度300 °C，压力20Pa，保温时间为5 min。 最后得到微量铜掺杂的Cu^Bifh热电材料，经过测试、计算573 K时其功率因子为200 WfcT1IT2,热导率为 0. 6 WnT1IT1tj实例2按Cu: Bi S摩尔比0. 002 1. 998 3分别称量高纯的(99. 99%)Cu粉、Bi粉和S粉，混合，放入球磨罐中，抽真空后充入Ar气，循环三次，使Ar气充满球磨罐，将球磨罐密闭。然后将球磨罐放入球磨机，450 rpm球磨15 h，完毕后将球磨罐取出，往球磨罐中注入IOOml 无水乙醇，在此过程中，保持Ar气流通，以免破坏惰性保护气氛，300 rpm湿磨1 h。将粉取出，放入干燥箱干燥，温度为80 °C，时间为12 h。将干燥的粉末用放电等离子烧结成块体，模具直径为10 mm，升温速度为100 °C/min，温度550°C，压力60 1 保温时间为5 min。 最后得到微量铜掺杂的Cuacici2Biu9i^3热电材料，经过测试、计算573 K时其功率因子为240 WfcT1IT2,热导率为 0. M WnT1IT1tj实例3按Cu: Bi S摩尔比0. 007 1. 995 3分别称量高纯的(99. 99%)Cu粉、Bi粉和S粉，混合，放入球磨罐中，抽真空后充入Ar气，循环三次，使Ar气充满球磨罐，将球磨罐密闭。然后将球磨罐放入球磨机，300 rpm球磨20 h，完毕后将球磨罐取出，往球磨罐中注入100 ml 无水乙醇，在此过程中，保持Ar气流通，以免破坏惰性保护气氛，425 rpm湿磨3 h。将粉取出，放入干燥箱干燥，温度为80 °C，时间为8 h。将干燥的粉末用放电等离子烧结成块体， 模具直径为25 mm，升温速度为100 V /min，温度400 °C，压力40 Pa,保温时间为5 min。 最后得到微量铜掺杂的Cuacici7Biu9J3热电材料，经过测试、计算573 K时其功率因子为303 WfcT1IT2,热导率为 0. 3 WnT1IT1tj实例4按Cu: Bi S摩尔比0. 01 1. 993 3分别称量高纯的(99. 99%) Cu粉、Bi粉和S粉，混合，放入球磨罐中，抽真空后充入Ar气，循环三次，使Ar气充满球磨罐，将球磨罐密闭。然后将球磨罐放入球磨机，450 rpm球磨15 h，完毕后将球磨罐取出，往球磨罐中注入100 ml 无水乙醇，在此过程中，保持Ar气流通，以免破坏惰性保护气氛，200 rpm湿磨3 h。将粉取出，放入干燥箱干燥，温度为80 °C，时间为2 h。将干燥的粉末进行放电等离子烧结成块体， 模具直径为15 mm，升温速度为100 V /min，温度580 °C，压力40 Pa,保温时间为5 min。 最后得到微量铜掺杂的CuacilBiui^热电材料，经过测试、计算573 K时其功率因子为175 WfcT1IT2,热导率为 0. 65 WnT1IT1。实例 5按Cu: Bi :S摩尔比0. 05:1. 99:3分别称量高纯的(99. 99%) Cu粉、Bi粉和S粉，混合，放入球磨罐中，抽真空后充入Ar气，循环三本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种微量Ｃｕ掺杂Ｂｉ２Ｓ３基热电材料，其特征在于：该材料的成分以纯度为９９．９９％金属单质Ｂｉ、Ｃｕ粉及单质Ｓ粉为原料，化学通式为ＣｕｘＢｉ２－ｘＳ３，其中ｘ为Ｃｕ组成元素的摩尔分数，ｘ取值范围为０．００１≤ｘ≤０．０５。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：张波萍，葛振华，于昭新，刘勇，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11
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