使用实验室高压压机进行室温压制，通过将致密化与热处理分离，显著提高了热电性能。与使用热量粘合颗粒的传统烧结不同，该方法通过机械方式实现高密度，同时保留原子尺度的缺陷和纳米孔。这些保留的结构缺陷极大地降低了导热性，从而提高了效率。
核心要点 通过使用高压而非高温，可以创建独特的微观结构，在保持电性能的同时阻碍热流（声子）。该工艺保留了传统烧结会“修复”的关键纳米级缺陷，从而获得了 ZT 值（Cu2S 在 873 K 时为 1.07），其性能明显优于标准制造方法。
微观结构优势
密度与温度分离
传统的制造方法，如熔化或标准烧结，依赖高温来实现材料密度。
虽然对粘合有效，但这种热量不可避免地会改变材料的微观结构，通常会消除有益的不规则性。
高压等静压允许您在室温下实现高密度。这种机械方法可确保材料坚固且导电，而不会使其暴露于重置其内部结构的能量。
保留关键缺陷
性能提升的关键在于该工艺保留了什么。
由于材料不暴露于高温烧结，因此它保留了高浓度的原子尺度缺陷。
此外，该工艺还保留了直径范围为 20 至 200 纳米的纳米孔。在传统的熔化或烧结过程中，这些特征很可能会被退火消除，从而导致晶格更均匀但效率更低。
性能提升机制
导热性急剧降低
热电效率依赖于最小化导热性（$ \kappa $）同时最大化导电性。
冷压保留的缺陷和纳米孔充当声子（热量的物理载体）的障碍。
这种结构无序性显著增强了声子散射，有效地抑制了热量通过晶格的流动（$ \kappa_{lat} $），而不会严重阻碍电子的流动。
卓越的 ZT 值
热电性能的最终衡量标准是品质因数 (ZT)。
通过高压压制生产的材料与经过热处理的相应材料相比，表现出更优越的指标。
具体而言，通过这种方式生产的 Cu2S 样品在873 K 时达到了 1.07 的 ZT 值。这比使用标准熔化或烧结技术生产的样品有了显著的改进。
工艺效率和可扩展性
降低能耗和成本
除了性能指标外，该方法还提供了独特的制造优势。
通过在致密化阶段无需高温炉，您可以显著降低能耗和总体加工成本。
简化组装
冷压简化了电池组装过程。
它避免了与高温共烧结相关的复杂挑战，例如热电材料与电极或电解质之间的化学反应。这使得该技术对于一致性和成本至关重要的规模化生产特别有吸引力。
操作注意事项和权衡
热稳定性风险
虽然室温压制会产生高性能的亚稳态结构，但您必须考虑操作环境。
由于增强的性能依赖于通过避免高温而保留的缺陷，因此在操作期间或后处理过程中将最终组件暴露于过高的温度可能会无意中退火这些缺陷。
密度与缺陷平衡
该方法的成功依赖于精确的压力控制。
您必须施加足够的压力以实现高密度以获得导电性，但又不能过大以至于完全消除提供隔热效果的纳米孔。关键在于平衡密度与 20-200 纳米孔结构的保留。
为您的目标做出正确选择
这种制造方法不仅仅是实验室里的新奇事物；它是高效率应用的一种战略选择。
- 如果您的主要关注点是最大化效率（高 ZT）：优先考虑室温高压压制，以保留声子散射所必需的原子缺陷和纳米孔。
- 如果您的主要关注点是制造可扩展性：采用此方法可降低能源成本，并规避高温共烧结固有的兼容性问题。
通过从热致密化转向机械致密化，您可以解锁传统方法无法达到的更高水平的材料性能。
总结表：
| 特征 | 传统烧结 | 高压室温压制 |
|---|---|---|
| 致密化方法 | 高温（热） | 机械压力 |
| 微观结构 | 均匀/退火 | 保留原子缺陷和纳米孔（20-200 纳米） |
| 导热性 | 高（散射少） | 非常低（声子散射高） |
| ZT 性能 | 标准 | 卓越（例如，Cu2S 在 873 K 时为 1.07） |
| 能源成本 | 高 | 显著降低 |
| 主要优势 | 成熟工艺 | 将密度与热处理分离 |
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参考文献
- Dongwang Yang, Xinfeng Tang. Mechanochemical synthesis of high thermoelectric performance bulk Cu2X (X = S, Se) materials. DOI: 10.1063/1.4968521
本文还参考了以下技术资料 Kintek Press 知识库 .
