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热电材料是一种新型的能源转换材料,可以利用材料的塞贝克效应和帕尔贴效应实现热能和电能之间的直接可逆转换。在众多热电材料中,half-Heusler（HH）合金以其稳定的化学性质、良好的力学性能和在中高温段（700–1000 K）优异的热电性能得到了广泛的关注,在热电发电方面表现出巨大的应用前景。Half-Heusler材料的制备是该体系研究工作的一大难题,传统制备方法通常为电弧熔炼或固相反应,后续还需进行超长时间的退火来获得比较纯净和均匀的产物,制备过程复杂,耗时耗能。Cu2Se化合物作为一种中温p型热电材料,以其独特的晶体结构特点在近年得到了广泛的关注和研究。目前对Cu2Se的主要制备方法,工艺通常都比较复杂,并且需要长时间在高温下进行保温或退火,非常耗时耗能,样品的成分控制比较难。另外,在实现Cu2Se致密化过程中采用的烧结技术,容易导致Cu离子在烧结过程中发生离子迁移现象。自蔓延高温合成（SHS）是利用化学反应自身放热快速制备材料的新技术,具有反应时间短,操作简单,省时节能,对设备要求低,适合批量化制备等优点。自蔓延高温合成结合原位快速加压（Quick Pressing,QP）技术是一种基于自蔓延燃烧合成来实现材料的一步合成与致密化的新技术,它将材料的制备过程与致密化过程有机的结合在了一起,利用SHS过程中释放出的热量利用起来完成自身的致密化,省去后续的烧结工艺,极大的简化材料的制备流程,节约大量能源。如果能将SHS技术和SHS-QP技术应用于half-Heusler合金和Cu2Se化合物的制备,将对half-Heusler合金和Cu2Se化合物的商业化应用具有重要意义。本研究以ZrNiSn基half-Heusler合金和Cu2Se化合物为研究对象,针对它们在材料制备过程中存在的工艺复杂、耗时耗能、易污染等缺点,发展了SHS技术制备ZrNiSn基half-Heusler合金,系统研究了其在SHS过程中的热力学、动力学过程,并结合放电等离子烧结（SPS）技术对ZrNiSn基half-Heusler合金的热电性能进行了优化。在SHS技术的基础之上,开发出了一种新型的制备技术SHS-QP技术,完成了ZrNiSn和Cu2Se块体的一步超快速制备,并系统研究了SHS-QP的最佳致密化工艺参数以及致密化机理。本研究的主要研究内容与成果如下:本研究采用SHS技术制备出了单相的ZrNiSn half-Heusler热电材料,系统的研究了ZrNiSn在SHS过程中的热力学、动力学过程和参数,揭示了SHS制备ZrNiSn过程中相转变过程和微结构演化规律。研究表明,ZrNiSn具有较高的燃烧温度（1770 K）和极快的燃烧波传播速度（50 mm/s）,它的SHS过程与传统二元材料的SHS过程不同,是由Ni和Sn的SHS反应触发的一系列SHS反应和传质,主要由两个阶段组成:第一阶段是Ni和Sn的SHS反应,反应较温和,燃烧速度约为2 mm/s;第二阶段是Ni和Sn的SHS产物与Zr的SHS反应,反应剧烈放热,燃烧速度约为50 mm/s,此阶段的反应主导着整个SHS过程。ZrNiSn在SHS过程中的相转变过程如下:Ni+Sn→Ni3Sn4+Ni3Sn2Zr+Ni3Sn4→ZrNiSn+SnZr+Ni3Sn2→ZrNi2Sn+ZrNiSn Zr+Sn+ZrNi2Sn→ZrNiSn结合放电等离子烧结（SPS）技术制备了ZrNiSn块体材料,并对其热电性能进行了研究。得益于SHS的超快速非平衡过程,采用SHS-SPS技术制备的ZrNiSn中存在较多缺陷,这些缺陷增强了声子散射,降低了热导率,本征未掺杂ZrNiSn的ZT值在870 K时可达0.67,与传统制备方法相当。同时,基于SHS-SPS技术对ZrNiSn的热电性能进行了优化。分别采用SHS-SPS技术制备了Sb掺杂的ZrNiSn1-xSbx以及Cu填充ZrNiSn间隙位的ZrNiCuxSn。采用SHS-SPS技术能制备得到实际组成与名义组成非常接近的ZrNiSn1-xSbx,Sb的掺杂能大幅提高ZrNiSn的载流子浓度,带来功率因子的大幅提升,1%Sb掺杂量的ZrNiSn0.99Sb0.01在870 K时取得最高ZT值0.7。采用SHS-SPS技术能制备得到Cu成功进入ZrNiSn间隙位的ZrNiCuxSn。Cu进入间隙位提供电子,提高了载流子浓度,同时产生的点缺陷大幅散射声子,降低了晶格热导率。1%Cu填充量的ZrNiCu0.01Sn在900 K时取得最大ZT值0.8,较未进行填充的ZrNiSn提升约15%,也高于1%Sb掺杂量的ZrNiSn0.99Sb0.01和10%Ni填充量的ZrNi1.1Sn。采用SHS-QP技术一步超快速制备了高度致密的ZrNiSn块体材料,并系统的研究了SHS-QP过程中压力、温度与时间的关系,得到了SHS-QP制备ZrNiSn的最佳致密化工艺参数:加压延时为0 s,压力高于50 MPa,保压时间长于5 s。同时对ZrNiSn的SHS-QP致密化机理进行了深入研究,发现塑性流动机制是ZrNiSn在SHS-QP过程中的主导致密化机制;对ZrNiSn在SHS-QP过程中的微结构转变机制进行了分析;最后对采用SHS-QP技术制备的ZrNiSn的热电性能进行了研究,得益于SHS-QP过程中超快速的升降温速率,采用SHS-QP技术制得的ZrNiSn中含有丰富的纳米结构,这些纳米结构强烈的散射声子,带来了ZrNiSn晶格热导率的大幅下降。相较于SHS-SPS制得的ZrNiSn,采用SHS-QP制备的ZrNiSn晶格热导率在室温下下降了约21%。最终采用SHS-QP制备的ZrNiSn的ZT值在900K时达到最高值0.7,与SHS-SPS制得的样品相当。本文还将SHS-QP技术扩展至燃烧温度更低,燃烧波传播速度更慢的热电材料体系Cu2Se中。成功采用SHS-QP技术实现了Cu2Se从原料到致密块体产物的一步超快速制备。探索得到了SHS-QP制备Cu2Se的最佳致密化工艺参数:加压延时为0 s,压力高于100 MPa,保压时间长于5 s。研究了其在SHS-QP过程中的致密化机理和微结构演化过程。采用SHS-QP技术制备的Cu2Se,化学组成控制精确,成分分布均匀,克服了Cu2Se作为快离子导体在SPS烧结过程中出现的离子迁移的现象。采用SHS-QP制备的Cu2Se的热电性能优异,ZT值在900 K时达到1.5,高于传统方法制备的Cu2Se的ZT值。最后,分析了ZrNiSn与Cu2Se两类具有不同燃烧温度的热电材料SHS-QP过程中的共同特征及其差异,为SHS-QP技术在更多热电材料体系中的应用奠定基础。