CN102363530A - 一种Cu1.8+xS二元热电材料的制备方法 - Google Patents

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葛振华
于昭新
刘勇
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Abstract

一种Cu1.8+xS二元热电材料的制备方法，属于能源材料技术领域。其特征是：以单质铜粉(质量分数大于99.9％)和单质硫粉(质量分数大于99.8％)为原料，按照Cu1.8+xS(-0.1≤x≤0.1)配比，采用机械合金化法制备化合物粉体后，采用放电等离子烧结工艺，制得室温下呈菱方相结构的Cu1.8+xS块体热电材料。该热电材料电导率高，机械性能好，所采用的制备方法所需原料廉价易得，无污染，制备工艺流程短，方便、快捷。

Description

一种Cu1.8+xS二元热电材料的制备方法
技术领域
本发明属于能源材料技术领域，特别涉及一种Cu1.8+xS二元热电材料的制备方法，涉及到机械合金化和放电等离子烧结技术。
背景技术
热电材料是一种能够直接实现热能与电能相互转化的能源材料，在提高能源综合利用率方面具有广阔的应用前景。目前高性能的热电材料主要有Bi2Te3基、PbTe基以及CoSb3基材料，这些材料虽然具有较高的热电性能，但其涉及昂贵、有毒或污染环境的元素或者材料。Cu1.8S化合物呈菱方晶系结构，其中面心立方亚晶格中S原子占据面心位置，Cu原子占据晶格顶点位置，该面心立方亚晶格中S原子又组成菱方晶系的对角线，Cu原子不仅占据面心立方亚晶格中的顶点位置，同时也占居菱形的对角线位置。但是Cu原子的占位和Cu原子的数量根据温度等条件会发生变化，通常认为Cu原子是嵌套在相对稳定的S原子面心立方亚晶格之中的。此类结构与立方晶系结构的Cu2S类似，不同的是只有9/10的铜原子位置被占据。在晶体中存在铜空位，导致Cu2+能够在晶体中快速移动，使得Cu1.8S表现出良好的导电性。Cu1.8S材料在太阳能电池、导电纤维、导电薄膜中有着广泛的应用。但有关Cu1.8S材料体系的热电性能迄今未见报道。
发明内容
本发明目的是通过机械合金化快速合成纳米Cu1.8+xS粉体，用放电等离子烧结工艺制备细晶的菱方相Cu1.8+xS块体热电材料，并通过改变x值调控晶体中的Cu空位浓度，进而优化其电传输性能，降低热导率，提升热电优值。
一种Cu1.8+xS(-0.1≤x≤0.1)二元热电材料的制备方法，其特征是：以金属单质铜粉(质量分数大于99.9％)和单质硫粉(质量分数大于99.8％)为原料，化学成分组成通式为Cu1.8+xS，其中x表示Cu元素的摩尔分数，取值范围为(-0.1≤x≤0.1)，在氩气气氛保护下，球磨转速100～500rpm球磨1-20h，即可获得尺寸为2-500nm的单相Cu1.8+xS纳米粉体。将粉体放置于石墨磨具中，在30～80MPa下，500～1000℃烧结5～10分钟，可获得晶粒尺寸为2-500nm的致密Cu1.8+xS二元热电块体材料。
本发明提供的一种Cu1.8+xS(-0.1≤x≤0.1)二元热电材料的制备方法，采用非平衡态的机械合金化法，以单质Cu粉和S粉为原料，通过改变原料配比控制所得产品的化学计量比；采用放电等离子烧结技术，将机械合金化法制得的纳米粉体快速加压烧结，得到呈菱方相结构的块体材料。
本发明采用机械合金化法结合放电等离子烧结技术制备Cu1.8+xS(-0.1≤x≤0.1)新型热电材料，制备流程短，耗时少，节约能源。
附图说明
图1：所制备的Cu1.8+xS二元热电块体材料的XRD图谱。
具体实施方式
首先用机械合金化方法制备Cu1.8+xS(-0.1≤x≤0.1)二元纳米粉末，该方法是将Cu粉(质量百分比大于99.9％)和S粉(质量百分比大于99.5％)按照化学通式Cu1.8+xS(-0.1≤x≤0.1)进行配比后，混合放入行星式球磨机中，在惰性气体氩气的保护下进行机械合金化，得到Cu1.8+xS合金粉末。对粉末进行放电等离子烧结，得到块体热电材料。
试验条件如下：x的取值范围是-0.1≤x≤0.1；惰性气体保护下干磨1～20h，转速为100～500rpm；放电等离子烧结温度为500～1000℃，压力为30～80MPa。
表1本发明(Cu1.8+xS)的几个优选实施例：
Figure BDA0000080808930000031
综上所述，本发明通过机械合金化和放电等离子烧结技术可以快速、简便地制备出Cu1.8+xS二元热电材料，适合大批量生产。

Claims (2)

1.一种Cu1.8+xS二元热电材料的制备方法，其特征是：化学成分组成通式为Cu1.8+xS，其中x表示Cu元素的摩尔分数，取值范围为(-0.1≤x≤0.1)，以质量分数大于99.9％的单质铜粉和质量分数大于99.8％单质硫粉为原料采用机械合金化法和放电等离子烧结技术制备室温下呈菱方相结构的块体Cu1.8+xS二元热电材料；制备条件为：在氩气气氛保护下，球磨转速100～500rpm球磨1-20h，即可获得尺寸为2-500nm的单相Cu1.8+xS纳米粉体；将粉体放置于石墨磨具中，在30～80MPa下，500～1000℃烧结5～10分钟，可获得致密Cu1.8+xS二元热电块体材料。
2.如权利要求1所述的Cu1.8+xS二元热电材料的制备方法，其特征是菱方相结构的块体Cu18+xS二元热电材料的晶粒尺寸为2～500nm。
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