热电材料是一种能实现热电转换的功能材料,在废热回收和半导体制冷方面应用前景广泛。面对全球变暖、能源枯竭等问题,响应《中国制造2025》“推动节能与新能源汽车发展”的号召,热电发电机回收废热是目前汽车系统能量回收中发展潜力最大的板块。热电装置具备体积小、精度高、寿命长、易控制、够环保等突出优点,但受限于热电材料热电性能的不足和热电装置接触电阻的损耗,目前尚无法实现大规模商业应用。此外,迄今为止关于Ce在Ce_xCo₄Sb₁₂热电材料中的填充机制和其填充极限的影响规律也尚无定论。本课题选择了稀土元素中含量最丰富、价格最低廉、商业应用潜力最大的Ce作为填充元素,研究了热处理工艺中保温温度和冷却速率对Ce在Ce_xCo₄Sb₁₂热电材料中填充极限的影响规律。研究发现,通过提高热处理工艺的保温温度和冷却速率可以提高稀土元素Ce在Ce_xCo₄Sb₁₂中填充极限。在820℃保温100h并进行淬火处理得到的Ce_xCo₄Sb₁₂热电材料平均填充量最高可达0.177,晶格常数可达9.055?,相应的晶格热导率可低至0.9W/（m*K）。与此同时,本课题通过对不同名义成分（x=0.08,0.2,0.3,0.5）、不同冷却速率（炉冷/淬火）、不同保温温度（700℃/740℃/780℃/820℃）Ce_xCo₄Sb₁₂热电材料样品Ce填充量、晶格常数、微观组织、热电性能进行了表征。研究发现,随着理论Ce填充量的上升和杂质相数目的减少,材料的ZT值随之上升,最终制得了最大ZT值在550℃时达到0.99的Ce_0.3Co₄Sb₁₂热电材料样品。此后,本课题在得到的Ce填充量、晶格常数、微观组织、热电性能数据基础上,借助于Co-Sb二元相图和Ce-Sb二元相图,对Ce_xCo₄Sb₁₂热电材料在熔炼-凝固-保温-冷却过程中各相的生成、转化机制和热处理工艺对Ce在Ce_xCo₄Sb₁₂热电材料中填充极限的影响机制进行了分析。提出了在Ce_xCo₄Sb₁₂热电材料熔炼-凝固过程中,熔炼温度1150℃时体系为均一的液相,温度低于约1065℃时β相CoSb首先从液相中析出,温度低于931℃时液相与CoSb相在CoSb界面处发生反应生成γ相CoSb₂,温度低于876℃时液相与CoSb₂相在CoSb₂界面处发生反应生成δ相CoSb₃,在温度低于约756℃时CeSb₂开始从液相中析出,在温度低于624℃时液相完全消失,形成CeSb₂与溶解有极少量Co的Sb（s,s）的共晶组织。最终得到Sb含量最高、CoSb其次、CoSb₂、CoSb₃、CeSb₂的含量依次减少的铸锭。在热处理工艺的保温过程中,溶解有极少量Co的Sb（s,s）重新转化为液相,随着扩散继续与CoSb、CoSb₂相发生包晶反应,最终在长时间的保温过程中生成均一的CoSb₃相。在此过程中CeSb₂也会溶解到液相中,并进一步产生Ce原子向CoSb₃相中的扩散,最终形成单元素填充的Ce_xCo₄Sb₁₂相。并指出热处理工艺对Ce在Ce_xCo₄Sb₁₂热电材料中填充极限的影响机制为保温温度的提高将促进CeSb₂的溶解和Ce原子向Ce_xCo₄Sb₁₂相中的扩散,而冷却速率的提高将抑制Ce从Ce_xCo₄Sb₁₂相中的脱离,从而可以得到填充量更高的Ce_xCo₄Sb₁₂相,进而得到了晶格热导率更低、ZT值更高的Ce_xCo₄Sb₁₂热电材料。