CN109439939A - 一种CuSe块体热电材料的快速制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，属于热电材料制备技术领域。本发明的一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，包括以下步骤：步骤一、原料配制、冷压成型、真空密封；步骤二、微波熔融，保温处理，淬火处理；步骤三、CuSe热电合金的破碎、球磨；步骤四、热压烧结、退火处理。本发明通过将微波熔融与热压烧结相结合，并控制合成与烧结过程中的各种工艺参数，使CuSe热电材料的组织中原位析出纳米晶粒，从而显著降低CuSe热电材料的热导率，获得热电性能优越、组织和性能分布均匀且具有单一相的CuSe块体热电材料。

Description

一种CuSe块体热电材料的快速制备方法

技术领域

本发明属于热电材料制备技术领域，更具体地，涉及一种CuSe块体热电材料的快速制备方法。

背景技术

随着能源危机和环境污染问题的日益加剧，作为一类新型能量转换材料的热电材料受到了各国的普遍重视。热电材料能够实现热能和电能的直接转换，利用其赛贝克效应和帕尔贴效应，它可应用于温差发电与制冷。目前制约热电材料大规模应用的主要原因是材料的热电转换效率低下，生产成本高。热电材料的热电性能一般采用无量纲的热电优值(ZT)来进行衡量，其中，S是Seebeck系数，ρ是电阻率，κ是热导率，T是热力学温度。要想使热电材料取得较高的ZT值，除了拥有好的电性能参数外，应尽可能地降低其热导率。

CuSe热电材料不含Te等稀有元素、丰度较高，材料成本低廉且对环境无污染，且CuSe 化合物一方面具有复杂的晶体结构，在高温下由于Cu⁺的类液态行为导致的横波阻尼效应，因此具有较低的热导率，另一方面，CuSe热电材料表现出较高的赛贝克系数，使得CuSe化合物有可能成为理想的热电材料。

目前，CuSe的合成方法主要有以下几种：(1)水热法，水热法就是在反应釜中，以水为反应介质，利用一个高温高压的反应条件，使通常不溶或难溶的物质溶解、反应再结晶出来的过程。水在反应中既是反应物的溶剂也是压力传递的媒介。此方法需要的时间长，并且会产生废液；(2)超声辐射法，超声波化学又称声化学，是采用声空化能来控制加速化学反应，是声能量与物质间的一种特殊的作用方式；(3)电化学法，电化学法是采用电化学手段来合成我们所需要的纳米材料，这种方法的吸引力主要在于简单，低成本，反应条件温和可控，所制得的纳米粒子纯度高，对环境污染小等，是一直非常有前途的合成、组装纳米材料的方法，并适合大规模生产；(4)牺牲模板法，牺牲模板法可以分成软/硬模板两种，其中软模板包括了生物模板法、SSA模板法等；硬模板法则包括了沸石分子筛模板、碳纳米管模板、自牺牲模板及阳极氧化铝模板等；(5)其他方法。

但是由于CuSe中Cu⁺表现出的强的离子性，CuSe材料的电导率不高，从而影响CuSe的整体热电性能，因此如何进一步提高CuSe材料的热电性能对于CuSe的推广应用具有重要的意义。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服采用现有技术制备CuSe块体热电材料存在的不足，提供了CuSe 块体热电材料的快速制备方法。采用本发明的技术方案，能够制备出热导率较低，组织和性能分布均匀，电导率较高，且具有单一相的CuSe块体热电材料，且所用设备和操作简单，耗费时间较短，成本较低。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，包括以下步骤：

步骤一、原料配制、冷压成型、真空密封；

步骤二、微波熔融，保温处理，淬火处理；

步骤三、CuSe热电合金的破碎、球磨；

步骤四、热压烧结、退火处理。

更进一步的，所述步骤一中采用质量分数均不小于99.99％的Cu、Se金属单质粉为原料，按1:1的化学计量摩尔比进行混合配制。

更进一步的，步骤一中向Cu、Se金属单质粉中加入丙酮，并搅拌混合均匀；待丙酮挥发完全后进行干燥，之后将干燥完成的粉末放入磨具中，使用压片机压制成片状块体，控制冷压处理的压强为10～100MPa。

更进一步的，将冷压成型后得到的片状块体置于石英管底部，对石英管进行抽真空处理，然后进行密封，其中控制石英管内的真空度小于1Pa。

更进一步的，所述步骤二中控制微波熔融的功率为0.5～1kW，温度为800-1100℃，熔融时间为15-30min。

更进一步的，步骤二中经微波熔融处理后先将样品继续置于微波炉内进行保温处理，并控制保温功率为0.3～0.6kW，保温温度为400～800℃，保温时间为20～30min；之后将石英管置于20～25℃的冷水中，进行淬火处理。

更进一步的，所述步骤四中热压烧结的温度为750～800℃，压强为75～85Mpa，时间为 5～7min；经热压烧结后将样品置于退火炉中，进行退火处理，退火处理的温度为580～620℃，时间为10～12h。

更进一步的，微波熔融处理时将密封后的石英管置于坩埚中，然后将坩埚整体置于微波炉内，其中坩埚内壁和石英管外壁之间均匀地铺上微波辅助吸收体，且坩埚底部和周围均匀放置有保温棉，保温棉的厚度为40-150mm。

更进一步的，所述微波辅助吸收体选用颗粒炭、碳化硅粉末、氧化铜粉末和氧化铝粉末中的一种或一种以上的混合。

更进一步的，所述步骤三中将淬火后获得的合金锭块进行破碎、研磨，之后将得到的块体于200～600r/min下球磨10～30min，经球磨所得的粉末再进行干燥处理。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，通过对其制备工艺进行优化设计，采用微波熔融与热压烧结相结合，从而一方面可以有效提高合成速率，降低加热温度，有效防止晶粒长大和CuSe合金内部成分偏析和性能不均匀的现象，另一方面还能够有效提高所得CuSe块体热电材料的热电性能，得到单一相的CuSe合金，该CuSe合金的最大热电优值ZT可达到0.35左右。

(2)本发明的一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，通过对微波熔融与热压烧结的具体工艺参数进行严格控制，同时辅以合适的热处理工艺，在微波熔融处理后进行保温和淬火处理，同时经热压烧结处理后再进行退火处理，从而有利于进一步保证合金的充分反应与合成，同时还能够提高所得CuSe块体热电材料的致密度与均匀性，有效抑制部分粒子的长大和团聚，促进纳米第二相的析出，使CuSe合金的热导率得到进一步降低，其热电性能得到显著提高。

(3)本发明的一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，设备和操作简单，易于实现，且生产效率高，成本较低，便于推广使用。

附图说明

图1为实施例1制备所得CuSe块体热电材料的XRD图。

图2为实施例1制备所得CuSe块体热电材料在不同温度下的热电性能曲线。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，现结合具体实施例对本发明作详细描述。

实施例1

步骤一、原料配制、冷压成型、真空密封：

采用质量分数均不小于99.99％的Cu、Se金属单质粉为原料，按1:1的化学计量摩尔比称量以上两种金属单质粉，共10g。将称量好的粉末放入玛瑙坩埚中，加入丙酮，搅拌混合均匀，待丙酮挥发完全后，将粉末放入真空干燥箱干燥。干燥完成的粉末放入磨具中，使用压片机，在压强为12MPa下压成片状块体；并将其置于石英管底部，对石英管进行抽真空处理，然后密封石英管，控制石英管内的真空度小于1Pa。

步骤二、微波熔融，保温处理，淬火处理：

将密封后的石英管置于坩埚中，在坩埚内壁和石英管外壁之间均匀地铺上碳化硅粉末作为微波辅助吸收体，然后将上述坩埚整体置于微波炉内进行微波熔融，功率为1kW，温度为 800℃，时间为15min，待熔融完成后，继续将坩埚置于微波炉中进行保温，控制功率为0.5kw，温度为600℃，保温时间为20min。最后将石英管置于25℃冷水中，进行淬火处理。

步骤三、CuSe热电合金的破碎、球磨：

将淬火后获得的合金锭块进行破碎、研磨，将所得到的块体在400r/min球磨30min，将研磨后的粉末进行干燥备用；

步骤四、热压烧结和退火处理：

热压时给样品一个很大的直流电(50A)，样品因为很大的内阻局部会产生一个很大的焦耳热。利用产生的焦耳热和样品两端承受的巨大压力使粉末状的样品快速烧结成成型的块体样品，烧结温度为750℃，压强为75Mpa，时间为5min；所得样品直径为12.7mm，厚度为 2mm左右的圆片。待烧结完成并冷却后，将石英管放入600℃退火炉退火12h。待冷却后，即获得所需的CuSe块体热电材料(如图1所示)。经测试该CuSe块体热电材料在室温时的Seebeck系数为330μV/K，最大热电优值ZT为0.35(如图2所示)。

实施例2

步骤一、原料配制、冷压成型、真空密封：

采用质量分数均不小于99.99％的Cu、Se金属单质粉为原料，按1:1的化学计量摩尔比称量以上两种金属单质粉，共10g。将称量好的粉末放入玛瑙坩埚中，加入丙酮，搅拌混合均匀，待丙酮挥发完全后，将粉末放入真空干燥箱干燥。干燥完成的粉末放入磨具中，使用压片机，在压强为18MPa下压成片状块体；并将其置于石英管底部，对石英管进行抽真空处理，然后密封石英管；

步骤二、微波熔融，保温处理，淬火处理：

将密封后的石英管置于坩埚中，在坩埚内壁和石英管外壁之间均匀地铺上氧化铜粉末作为微波辅助吸收体，然后将上述坩埚整体置于微波炉内进行微波熔融，功率为0.5kw，温度为1100℃，时间为18min，待熔融完成后，继续将坩埚置于微波炉中，控制功率为0.3kw，温度为800℃，保温时间为25min。最后将石英管置于20℃冷水中，进行淬火处理；

步骤三、CuSe热电合金的破碎、球磨：

将淬火后获得的合金锭块进行破碎、研磨，将所得到的块体在500r/min球磨30min，，将研磨后的粉末进行干燥备用；

步骤四、热压烧结和退火处理：

热压时给予样品一个很大的直流电(55A)，样品因为很大的内阻局部会产生一个很大的焦耳热。利用产生的焦耳热和样品两端承受的巨大压力使粉末状的样品快速烧结成成型的块体样品，烧结温度为800℃，压强为80Mpa，时间为6min；所得样品即直径为12.7mm，厚度为2mm左右的圆片。待烧结完成并冷却后，将石英管放入620℃退火炉退火10h。待冷却后，即获得所需的CuSe块体热电材料。经测试该CuSe块体热电材料在室温时的Seebeck 系数为320μV/K，最大热电优值ZT为0.36。

实施例3

步骤一、原料配制、冷压成型、真空密封：

采用质量分数均不小于99.99％的Cu、Se金属单质粉为原料，按1:1的化学计量摩尔比称量以上两种金属单质粉，共10g。将称量好的粉末放入玛瑙坩埚中，加入丙酮，搅拌混合均匀，待丙酮挥发完全后，将粉末放入真空干燥箱干燥。干燥完成的粉末放入磨具中，使用压片机，在压强为18MPa下压成片状块体；并将其置于石英管底部，对石英管进行抽真空处理，然后密封石英管；

步骤二、微波熔融，保温处理，淬火处理：

将密封后的石英管置于坩埚中，在坩埚内壁和石英管外壁之间均匀地铺上颗粒炭与氧化铝粉末的混合物作为微波辅助吸收体，然后将上述坩埚整体置于微波炉内进行微波熔融，功率为1kw，温度为950℃，时间为25min，待熔融完成后，继续将坩埚置于微波炉中，控制功率为0.6kw，温度为400℃，保温时间为30min。最后将石英管置于22℃冷水中，进行淬火处理；

步骤三、CuSe热电合金的破碎、球磨：

将淬火后获得的合金锭块进行破碎、研磨，将所得到的块体在600r/min球磨10min，，将研磨后的粉末进行干燥备用；

步骤四、热压烧结和退火处理：

热压时给予样品一个很大的直流电(60A)，样品因为很大的内阻局部会产生一个很大的焦耳热。利用产生的焦耳热和样品两端承受的巨大压力使粉末状的样品快速烧结成成型的块体样品，烧结温度为780℃，压强为85Mpa，时间为7min；所得样品即直径为12.7mm，厚度为2mm左右的圆片。待烧结完成并冷却后，将石英管放入600℃退火炉退火10h。待冷却后，即获得所需的CuSe块体热电材料。待冷却后，即获得所需的CuSe块体热电材料。经测试该CuSe块体热电材料在室温时的Seebeck系数为350μV/K，最大热电优值ZT为0.37。

实施例4

步骤一、原料配制、冷压成型、真空密封：

采用质量分数均不小于99.99％的Cu、Se金属单质粉为原料，按1:1的化学计量摩尔比称量以上两种金属单质粉，共30g。将称量好的粉末放入玛瑙坩埚中，加入丙酮，搅拌混合均匀，待丙酮挥发完全后，将粉末放入真空干燥箱干燥。干燥完成的粉末放入磨具中，使用压片机，在压强为100MPa下压成片状块体；并将其置于石英管底部，对石英管进行抽真空处理，然后密封石英管；

步骤二、微波熔融，保温处理，淬火处理：

将密封后的石英管置于坩埚中，在坩埚内壁和石英管外壁之间均匀地铺上氧化铝粉末作为微波辅助吸收体，然后将上述坩埚整体置于微波炉内进行微波熔融，功率为0.8kw，温度为1100℃，时间为30min，待熔融完成后，继续将坩埚置于微波炉中，控制功率为0.4kw，温度为700℃，保温时间为23min。最后将石英管置于25℃冷水中，进行淬火处理；

步骤三、CuSe热电合金的破碎、球磨：

将淬火后获得的合金锭块进行破碎、研磨，将所得到的块体在200r/min球磨25min，，将研磨后的粉末进行干燥备用；

步骤四、热压烧结和退火处理：

热压时给予样品一个很大的直流电(52A)，样品因为很大的内阻局部会产生一个很大的焦耳热。利用产生的焦耳热和样品两端承受的巨大压力使粉末状的样品快速烧结成成型的块体样品，烧结温度为770℃，压强为77Mpa，时间为5min；所得样品即直径为12.7mm，厚度为2mm左右的圆片。待烧结完成并冷却后，将石英管放入580℃退火炉退火14h。待冷却后，即获得所需的CuSe块体热电材料。待冷却后，即获得所需的CuSe块体热电材料。经测试该CuSe块体热电材料在室温时的Seebeck系数为350μV/K，最大热电优值ZT为0.37。

Claims (10)

1.一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、原料配制、冷压成型、真空密封；

步骤二、微波熔融，保温处理，淬火处理；

步骤三、CuSe热电合金的破碎、球磨；

步骤四、热压烧结、退火处理。

2.根据权利要求1所述的一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，其特征在于：所述步骤一中采用质量分数均不小于99.99％的Cu、Se金属单质粉为原料，按1∶1的化学计量摩尔比进行混合配制。

3.根据权利要求2所述的一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，其特征在于：步骤一中向Cu、Se金属单质粉中加入丙酮，并搅拌混合均匀；待丙酮挥发完全后进行干燥，之后将干燥完成的粉末放入磨具中，使用压片机压制成片状块体，控制冷压处理的压强为10～100MPa。

4.根据权利要求3所述的一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，其特征在于：将冷压成型后得到的片状块体置于石英管底部，对石英管进行抽真空处理，然后进行密封，其中控制石英管内的真空度小于1Pa。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，其特征在于：所述步骤二中控制微波熔融的功率为0.5～1kW，温度为800-1100℃，熔融时间为15-30min。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，其特征在于：步骤二中经微波熔融处理后先将样品继续置于微波炉内进行保温处理，并控制保温功率为0.3～0.6kW，保温温度为400～800℃，保温时间为20～30min；之后将石英管置于20～25℃的冷水中，进行淬火处理。

7.根据权利要求6所述的一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，其特征在于：所述步骤四中热压烧结的温度为750～800℃，压强为75～85Mpa，时间为5～7min；经热压烧结后将样品置于退火炉中，进行退火处理，退火处理的温度为580～620℃，时间为10～12h。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，其特征在于：微波熔融处理时将密封后的石英管置于坩埚中，然后将坩埚整体置于微波炉内，其中坩埚内壁和石英管外壁之间均匀地铺上微波辅助吸收体，且坩埚底部和周围均匀放置有保温棉，保温棉的厚度为40-150mm。

9.根据权利要求8所述的一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，其特征在于：所述微波辅助吸收体选用颗粒炭、碳化硅粉末、氧化铜粉末和氧化铝粉末中的一种或一种以上的混合。

10.根据权利要求1-4中任一项所述的一种CuSe块体热电材料的快速制备方法，其特征在于：所述步骤三中将淬火后获得的合金锭块进行破碎、研磨，之后将得到的块体于200～600r/min下球磨10～30min，经球磨所得的粉末再进行干燥处理。