当今世界能源危机和环境污染等问题日益突出,严重制约着社会发展和人类进步,因此开发新能源和利用新能源材料刻不容缓。热电材料可以利用塞贝克效应和帕尔贴效应实现热能和电能的直接相互转换,可将大量存在的各类废热有效转换为电能供人类使用,同时对环境实现零排放,对解决能源短缺和环境污染问题将发挥重要作用,因而作为一种新能源材料在国际社会上引起广泛关注。碲化铋基化合物是室温附近最好的热电材料,目前商业化产品主要采用区熔法（ZM）制备,最佳ZT值为1.0左右。然而ZM工艺能耗高、周期长、对设备要求高、制备成本较大,且ZM材料因高度取向而易发生解理,力学性能和机械加工性较差,严重限制了ZM粒子的切割产率、器件的成品率及器件的服役稳定性。因此,发展快速低成本规模化制备碲化铋基材料新技术,并获得热电性能和力学性能均优异的块体材料对其商业化应用至关重要。本文以碲化铋基化合物为研究对象,针对商业ZM材料制备周期长、能耗高、成本大、热电性能和力学性能较差等问题,发展了燃烧合成（CS）技术制备n型和p型碲化铋基化合物,并结合等离子活化烧结（PAS）技术实现了超快速低成本制备热电性能和力学性能均优异的碲化铋基块体材料,提出了发生SHS反应的热力学普适新判据,阐明了CS过程中的物相转变过程及其反应机理,研究了工艺参数、组分对热电性能的影响规律,放量制备了n型和p型大尺寸均匀块体并以此为材料制作热电器件。本研究的主要研究内容与结果如下:针对二元化合物A₂B₃（A=Bi、Sb,B=Te、Se）,探索了采用CS技术制备单相化合物的可能性,包括自蔓延高温合成（SHS）和热爆合成（TE）两种模式,研究发现Bi₂Te₃、Bi₂Se₃和Sb₂Se₃可以通过SHS制备,而Sb₂Te₃不能通过SHS制备,只能采用TE制备。研究了二元化合物CS的热力学和动力学参数,Bi₂Te₃SHS反应的绝热燃烧温度、燃烧温度和燃烧波传播速度分别为860 K、816 K和6mm s^-1,Bi₂Se₃ SHS反应的绝热燃烧温度、燃烧温度和燃烧波传播速度分别为995K、946 K和12 mm s^-1,Sb₂Se₃ SHS反应的绝热燃烧温度、燃烧温度和燃烧波传播速度分别为888 K、867 K和1 mm s^-1,而计算Sb₂Te₃的绝热燃烧温度仅为703K,不能提供足够的能量维持反应。结合其它热电材料体系,通过大量理论计算和实验验证,提出了发生SHS反应的热力学普适新判据T_ad/T_mL>1.0(T_mL为体系中低熔点元素的熔点)。此外,通过DSC模拟结合燃烧波淬熄实验研究CS过程中二元化合物A₂B₃的相转变过程、微结构形成过程及反应机理,结果显示二元化合物A₂B₃在CS过程中均涉及液相的生成和消失,有的还伴随着中间相的生成,其反应机理均推测为溶解—反应—析出机制。针对n型三元化合物Bi₂Te_3-xSe_x（x=0¹）,重点探索了其SHS过程,实验测得三元化合物Bi₂Te_2.4Se_0.6的燃烧温度为872 K,燃烧波传播速度为8 mm s^-1,SHS制备三元化合物Bi₂Te_3-xSe_x是合成二元化合物Bi₂Te₃和Bi₂Se₃的综合体现。通过DSC模拟和燃烧波淬熄实验研究其相转变过程、微结构形成过程及反应机理,推测SHS制备Bi₂Te_2.4Se_0.6的机制为溶解—反应—析出机制。采用SHS-PAS工艺可在20 min内制备出n型Bi₂Te_3-xSe_x热电致密块体材料,且样品的热电性能和力学性能远高于商业ZM材料,样品Bi₂Te_2.4Se_0.6在423 K取得最大ZT值0.95,298⁵23K范围内平均ZT值为0.81,相对ZM样品提高了21.7%。另外,采用SHS-PAS技术制备样品Bi₂Te_2.4Se_0.6的压缩强度为104 MPa,相对ZM样品提高了6⁷倍,弯曲强度为70 MPa,相对ZM样品提高了6倍。针对p型三元化合物Bi_xSb_2-xTe₃（x=0.2⁰.6）,研究发现经典组分Bi_0.5Sb_1.5Te₃因放热不足难以维持SHS反应而只能通过TE制备。热爆温度和热爆时间对合成单相Bi_0.5Sb_1.5Te₃化合物均具有重要的影响,773 K热爆得不到单相化合物,823 K热爆140 s以上才能得到单相化合物,实验测得坯体最大反应温度为834 K,873 K热爆60 s即可得到单相化合物,实验测得坯体最大反应温度为851 K。通过DSC模拟结合特征点分析法,推测TE制备Bi_0.5Sb_1.5Te₃的机制为溶解—反应—析出机制。采用TE-PAS工艺可在20 min内制备出p型Bi_xSb_2-xTe₃热电致密块体材料,且样品的热电性能和力学性能远高于商业ZM材料,样品Bi_0.5Sb_1.5Te₃在348 K取得最大ZT值1.1,298⁵23 K范围内平均ZT值约为0.86,相对ZM样品提高了46%。另外,采用TE-PAS技术制备样品Bi_0.5Sb_1.5Te₃的压缩强度为80 MPa,相对ZM样品提高了4⁵倍,弯曲强度为64 MPa,相对ZM样品提高了5⁶倍。有限元模拟分析表明尺寸为Φ30×12 mm³的样品在烧结过程中呈现中心部位温度高、边缘部位温度低,实验研究发现适当延长烧结时间可以增加大尺寸样品的均匀性。采用CS结合PAS烧结技术分别放量制备了n型Bi₂Te_2.4Se_0.6和p型Bi_0.5Sb_1.5Te₃大尺寸均匀块体材料,并以此为材料制作热电单级器件。与商业ZM器件相比,本研究制作器件的性能得到了极大的优化改善,温差约为250 K时器件的开路电压和最大输出功率分别为5.7 V和3.40 W,热电转换效率为5.2%,相对于ZM器件（3.65%）提高了42%。