外场辅助燃烧合成快速制备铜硒化物热电材料研究

A new method of field-assisted combustion synthesis is proposed for fast preparation of copper selenide thermoelectric materials. Under the non-equilibrium reaction condition and the effect of external field, nanograins and grain boundary defects can be obtained, enhancing the phonon scattering, reducing the thermal conductivity, and improving the thermoelectric properties. The combustion reaction kinetics and phase formation mechanism under external fields are investigated to clarify the effect of external fields on the combustion temperature, combustion rate, and reaction mechanism. The relationship between the microstructure and electrical and thermal transport properties is studied. By optimizing the processing parameters, copper selenide samples with improved thermoelectric properties are obtained. From the project, a fast method for preparing high-performance thermoelectric materials with lots of grain boundary effects will be developed, offering new possibilities for research and applications of thermoelectric materials.

本项目拟采用外场辅助燃烧合成新技术，实现铜硒化物热电材料的快速制备。利用燃烧合成的非平衡反应特点，并辅之以外场能量的馈入，对产物的结构形成过程实施有效调控，从而原位获得纳米晶粒和大量晶界缺陷，以增强声子散射、降低热导率，提高热电性能。通过对外场作用下的燃烧反应特征和非平衡结构形成机制的深入研究，搞清燃烧温度、燃烧速率、形核长大机制与外场强度及耦合方式的关系规律，对材料的微观结构与电热输运性质展开系统研究，重点揭示晶界缺陷对热电性能的影响规律。在掌握以上机制和规律的基础上优化工艺，制备出富含晶界缺陷、热电性能优异的铜硒化物热电材料。.通过项目研究，有望发展出一种快速制备具有大量晶界缺陷的高性能热电材料的新方法，为热电材料的研究与应用提供理论和技术支撑。

铜硒化物热电材料是一类不含有毒元素和稀贵元素的新型热电材料。本项目采用外场辅助燃烧合成新技术，实现了铜硒化物热电材料的快速制备，从元素粉末出发，一步直接合成致密块体。项目研究中，通过气压、化学炉、超重力场辅助燃烧合成以及机械化学合成，制备了Cu2SnSe3、Cu2Se等铜硒化物热电材料，对外场作用下的反应合成与结构形成机制进行了研究，揭示了材料的晶格结构、固溶原子、第二相等结构特征对其电学和热学性质的影响规律。研究发现，施加气压有利于抑制物料喷溅和挥发损失，超重力场具有原位自加压效应，化学炉则可显著提高反应温度，因而都有助于提高燃烧合成产物的致密度。燃烧合成制备Cu2SnSe3过程中，通过改变反应物配比、固溶掺杂等手段，可以优化材料的热电性能。以Cu、Se粉末为原料，通过机械化学方法可以合成Cu2Se，合成是通过扩散控制的渐进反应模式完成的。通过项目研究，发展出一种快速制备铜硒化物热电材料的新方法，为铜硒化物热电材料的制备及结构调控提供了新的途径。外场辅助燃烧合成，除了制备铜硒化物热电材料，还可用于制备很多其他金属硒化物材料。