[發明專利]一種超快速低成本制備高性能Half-Heusler塊體熱電材料的方法

有效

• 申請號: 201410024929.8
• 申請日: 2014-01-20
• 公開（公告）號: CN103934459A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 唐新峰;楊東旺;瑞澤·萬;汪麗芳;蘇賢禮;鄢永高
• 申請（專利權）人: 武漢理工大學
• 主分類號: B22F3/23
• 分類號: B22F3/23;H01L35/14
• 代理公司: 湖北武漢永嘉專利代理有限公司 42102
• 代理人: 唐萬榮

技術領域

本發明屬于新能源材料制備—燃燒合成技術領域，具體涉及一種超快速低成本制備高性能Half-Heusler塊體熱電材料方法。?

背景技術

近十幾年來，人口急速膨脹，工業迅猛發展，能源和環境問題已經逐漸凸顯，能源危機和環境危機日益引發關注。目前，全球每年消耗的能源中約有70%以廢熱的形式被浪費掉，如果能將這些廢熱進行有效的回收利用，將極大的緩解能源短缺的問題。熱電材料能直接將熱能轉換成電能，具有無傳動部件、體積小、無噪音、無污染、可靠性好等優點，在汽車廢熱回收利用、工業余熱發電方面有著巨大的應用前景。熱電材料的轉換效率由無量綱熱電優值ZT（ZT=α²σT/κ其中α為Seebeck系數、σ為電導率、κ為熱導率、T為絕對溫度）決定。ZT越大，材料的熱電轉換效率越高。目前研究較多的高性能熱電材料一般是Te基的，如PbTe和Bi₂Te₃。Te元素在地球中的儲量稀少、價格昂貴，同時它也是太陽能電池的主要組成元素，這些因素都極大地制約著Te基熱電材料的大規模商業化應用和可持續性發展。因此開發儲量豐富、價格低廉的高性能熱電材料具有重要意義。?

Half-Heusler化合物的結構最先是由Heusler發現并報道的，Half-Heusler化合物的通式為ABX，A是元素周期表中左邊的副族元素（鈧、鈦、釩族等），B為元素周期表中的過渡族元素（鐵、鈷、鎳族等），X為IIIA、IVA、VA族元素，這種三元金屬間化合物有許多種，多呈現半金屬、金屬或半導體特征。具有半導體性質的Half-Heusler化合物都有18個價電子，基于這個規律，熱電性能的研究也主要集中在這些半導體化合物中。?

目前Half-Heusler熱電材料的合成主要采用高溫長時間固相反應、懸浮熔煉結合放電等離子燒結、電弧熔煉結合熱壓燒結等方法，但由于反應過程繁瑣復雜，需要消耗較多的能源同時對設備的要求極高。因此尋找一種簡單快捷、對設備要求低、能耗少、重復性好并且能大規模制備的合成方法顯得十分重要。?

燃燒合成（Combustion?Synthesis，簡稱CS）是利用反應自身放熱制備材料的新技術。按照點燃方式，CS技術可分為一端點火的自蔓延高溫合成（Self-propagating?High-temperature?Synthesis，簡稱SHS）模式和整體引燃的熱爆合成（Thermal?Explosion??synthesis，簡稱TE）模式。它具有反應時間極短、工藝簡單、對設備要求低、節能環保、適宜規模化生產等優點。用該方法得到的產物一般具有大量納米結構，這對熱電材料極為有利。等離子活化燒結（Plasma?Activated?Sintering，簡稱PAS）是在真空條件下，通過上下石墨壓頭對樣品進行加壓，同時利用脈沖電流進行表面活化和直接加熱，能夠在較短時間內實現材料的致密化。PAS的快速致密化技術能夠最大限度的保留CS過程中產生的納米結構。鑒于CS和PAS制備技術的眾多優點，將兩者結合，制備出了高性能的Half-Heusler塊體熱電材料。?

發明內容

本發明所要解決的技術問題是針對上述現有技術存在的不足而提供一種超快速低成本制備高性能Half-Heusler塊體熱電材料方法，該方法制備時間短，工藝簡單，對設備要求低，且重復性好，便于規模化制備。?

本發明為解決上述提出的問題所采用的技術方案為：?

一種超快速低成本制備高性能Half-Heusler塊體熱電材料方法，它包括如下步驟：?

1）根據Half-Heusler化合物的通式ABX，按化學計量比1:1:1稱量A粉、B粉、X粉作為原料，混合均勻得到反應物；?

2）所述反應物發生燃燒合成反應，完成反應之后冷卻或淬火；?

3）將步驟2）中所得產物研磨成細粉，之后進行等離子活化燒結（PAS），得到高性能Half-Heusler塊體熱電材料。?

按上述方案，步驟1）中所用原料A可以選自IIIB、IVB、VB族大部分元素，如選自Ti、Zr、Hf、Sc、Y、La、V、Nb、Ta中的一種或幾種按任意比例的混合物；所用原料B可以選自VIIIB族元素，如選自Fe、Co、Ni、Ru、Rh、Pd、Pt的一種或幾種按任意比例的混合物；所用原料X可以選自IIIA、IVA、VA族的大部分元素，如選自Sn、Sb、Bi的一種或幾種按任意比例的混合物。?

按上述方案，步驟1）中所述反應物為粉體或者壓制成錠體。?