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热电材料简介 141200008瞿晓丹 目录 现实生活中的热电材料热电材料的基本概念我所现阶段涉及的方面 相当浅显 一 现实生活中的热电材料1 热电制冷 2 热电发电 美国 德国 日本 韩国等汽车公司 GM BMW HONDA 大众 现代等 正在开展相关研发工作 可节省油耗5 国内相关研究刚刚起步 上汽 利用高聚光太阳能在基板上产生的热能发电 提高转换率 国家 973 计划 日本能源开发机构NEDO 美国DOE等均有所部署 利用燃烧热 地热 体表温差等热源 为野外作业 偏远山区 器械等提供电能 1 什么是热电材料 热电材料 也称温差电材料thermoelectricmaterials 是一种利用固体内部载流子运动 实现热能和电能直接相互转换的功能材料 二 基本概念 2 什么是热电效应 热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称 包括Seebeck效应 Peltier效应和Thomson效应 3 Seebeck效应 1 定义 塞贝克 Seebeck 效应 又称作第一热电效应 它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象 赛贝克电势差V的计算公式 式中和为两个不同材料的seebeck系数 2 Seebeck系数 S为seebeck系数公式为 它的大小和符号取决于两种材料的特性和两结点的温度 原则上讲 当载流子是电子时 冷端为负 S是负值 如果空穴是主要载流子类型 那么热端为负 S是正值 3 利用seebeck效应 由热生电 温差发电材料 主要有ZnSb PbTe GeTe SiGe等合金材料 半导体温差发电机的特点是 无噪声 无磨损 无振动 可靠性高 寿命长 维修方便 易于控制和调节 可全天候工作 可替代电池 半导体温差发电机的热源 煤油 石油气以及利用Pu238 sr90 Po210等放射性同位素 4 帕尔贴 Peltier 效应 1 定义 即电流通过两个不同导体形成的接点时 接点处会发生放热或吸热现象 称为Peltier效应 又称第二热电效应 当在两个节点T1和T2输入一个电压Vin 回路中会产生一个相应的电流I 接头A处的热量会被吸收 从而产生一个微弱的制冷现象 在B处 随着热量的流入温度升高 2 利用帕尔贴效应 由热制冷 温差致冷材料 主要是铋 锑 硒 碲组成的固溶体 通常是由Bi Sb Te组成p型材料 Bi Se Te组成n型材料 目前 半导体致冷器所用材料是Bi2Te3 Sb2Te3 Bi2Se3及其固溶体 其优值系数z为2 3 10 3 5 汤姆逊 Tomson 效应 当电流在已经存在温差的导体中流动时 热量会被吸收或者被放出 而电流方向和温差之间的相对关系决定了材料在这个过程中是吸收热量还是放出热量 这一现象 我们称为汤姆逊效应 正汤姆逊热效应PositiveThomsoneffect 铜 锌等 负汤姆逊热效应NegativeThomsoneffect 碱金属 Co Ni Fe等 6 热电性能评价 优异热电性能 Seebeck系数大电导率高热导率低 7 热电材料的优点 没有运动部件 热电制冷器在工作的时候只用到电能 不会有任何运动的部件 这样一来 它们基本上不需要维护保养 体积和重量很小 一个热电制冷系统的体积和重量要远远小于相应的机械式制冷体系 除此之外 对于各种严格的应用要求 有各种标准的或特殊的尺寸和布局方式可供选择 可以降温到环境温度以下 传统的散热器需要将温度升高到环境温度以上才可以使用 与其不同的是热电制冷器具有将物体温度降低到环境温度以下的能力 同一器件可以满足升温和降温的要求 热电制冷器可以通过调整加载的直流电流的方向 调整制冷或者加热模式 应用这一特点就不必在给定体系内加入另外独立的加热或者制冷功能元件 精确的温度控制 由于热电制冷器具有一个闭路温度控制循环 它可以在0 1 范围内精确地控制温度 高可靠性 由于全部为固态基构造 热电制冷器具有很高的可靠性 尽管某种程度上与应用条件有关 但是典型热电制冷器的寿命一般可以达到200 000小时以上 电子静音 与传统的机械式制冷器件不同 热电制冷器在工作过程中基本上不会产生任何电子干扰信号 它可以与敏感的电子感应器相连接 并不会干扰其工作 另外 它在运行过程中也不会产生任何噪音 可以在任意角度下工作 热电制冷器可以再任意角度和零重力状态下工作 所以 在航天器械中应用非常广泛 简单方便的能源供给 热电制冷器能够直接使用直流电源 并且加载电源的电压和电流能够在很大范围内变化 在许多条件下 还可以使用脉冲宽度调制 点制冷 应用热电制冷器 可以做到对单独的单元或者很小的区域进行制冷 因此可以避免冷却整个封装器件或外壳时可能造成的能源浪费 等等 三 我现阶段所涉及的方面 皮毛 1 实验部分BaSi2的制备计算称量 电子称 熔炼 真空电弧炉 XRD测热电性能 PPMS 压片 2 计算部分 软件模拟 Linux