[發明專利]天然斑銅礦石高性能熱電材料及其快速制備方法和應用

在審

• 申請號: 202011205187.0
• 申請日: 2020-11-02
• 公開（公告）號: CN112331761A
• 公開（公告）日: 2021-02-05
• 發明（設計）人: 孫輝
• 申請（專利權）人: 安徽信息工程學院
• 主分類號: H01L35/16
• 分類號: H01L35/16;C30B1/10;C30B28/02;C30B29/46
• 代理公司: 蕪湖安匯知識產權代理有限公司 34107
• 代理人: 任晨晨

本發明提供了天然斑銅礦石高性能熱電材料及其快速制備方法和應用，與現有技術相比，本發明提供的天然斑銅礦石高性能熱電材料，是可天然獲得且在室溫時組成為Cu₅FeS₄，結構為斜方晶相，較高純度的天然斑銅礦石，用它作為基體材料無需進行復雜的選礦過程，并且通過簡單的研磨、放電等離子燒結即可形成和實驗室合成材料具有相當熱電性能的塊材。本發明制備方法簡單，用于工業化生產非常有前景。而且本方法發現在近室溫的溫度區間內，直接利用天然斑銅礦石制備的樣品比實驗室合成材料具有更高的熱電性能優值，使得基于天然斑銅礦石粉體加工方法制備的熱電材料在近室溫區間的應用比實驗室合成材料更有前景。

技術領域

本發明屬于熱電材料領域，具體涉及天然斑銅礦石高性能熱電材料及其快速制備方法和應用。

背景技術

熱電材料(thermoelectric materials)可以利用塞貝克(Seebeck)效應和珀爾貼(Peltier)效應直接實現熱能和電能的轉換，在轉換過程中不釋放任何溫室氣體或產生振動，因此它作為一種新型固體能源轉換材料在最近幾十年來備受關注。

但是，利用熱能直接發電的應用在過去幾十年里主要受到四個方面的制約：(1)材料的轉換效率偏低。用于評價轉換效率的致冷系數和發電效率均與材料的物理性質有關，包括材料的塞貝克系數(S)、電導率(σ)以及熱導率(κ)。優化材料的幾何形狀后，材料的熱電性能優值ZT＝S²σT/κ越大，能量轉換效率越高。但是由于塞貝克系數、電導率及熱導率之間存在相互聯系，且變化規律往往在調節熱電性能優值時是相互矛盾的(比如，增大S會降低σ，增大σ也會增加κ)，所以具有很高熱電性能優值的材料較難得到。(2)依賴高純和昂貴元素(比如碲Te)，因而材料成本高昂。(3)含有有毒元素(比如鉛Pb、鉈Tl等)，易于造成環境和健康問題。(4)制造工藝苛刻，幾乎所有制備流程都在真空中完成。

與天然銅礦石組分相同或相近的材料大多具有本征低熱導特性，因此是非常有潛力的候選熱電材料。同時其原料豐富、無有毒元素、制備可不依賴于真空，非常有希望克服上述四個方面的制約。但是目前，類似材料的制備仍依賴于實驗室高純元素，且制備流程幾乎全部在真空中完成。因此，目前此類熱電材料的研究進展距離大規模應用尚存在一定差距。

發明內容

本發明的目的在于提供一種天然斑銅礦石高性能熱電材料，利用天然斑銅礦石為原料直接制備得到熱電材料，通過測試其熱電性能并和報道的實驗室合成材料性能進行比較，提供利用天然斑銅礦石直接作為高性能熱電材料的應用。

本發明還有一個目的在于提供一種天然斑銅礦石高性能熱電材料的快速制備方法，無需進行復雜的選礦過程，僅僅通過簡單的研磨、放電等離子燒結即可合成高性能熱電材料。

本發明最后一個目的在于提供一種天然斑銅礦石高性能熱電材料的應用，用于制作熱電設備。

本發明具體技術方案如下：

天然斑銅礦石高性能熱電材料，其晶相為純的Cu₅FeS₄低溫斜方晶相；可直接作為高性能熱電材料原料。

天然斑銅礦石高性能熱電材料的快速制備方法，包括以下步驟：

1)將天然斑銅礦石研磨為粉體；

2)將粉體進行放電等離子燒結，即得天然斑銅礦石高性能熱電材料。

步驟1)中所述研磨在空氣中進行。

優選的，步驟1)中所述研磨，研磨方式為手工研磨或高能球磨，得到顆粒尺寸不大于0.001mm³；

進一步的，步驟1)中，手工研磨采用瑪瑙研缽；優選的，手工研磨時間不少于30分鐘。