金属类功能材料简介

1、2.1 超导材料超导材料2.7 热电材料热电材料2.3.2 2.3.2 结构特点：非晶态合金的原子结构 “长程无序，短程有序”。BH软磁材料软磁材料 特点：磁导率大、矫顽力小特点：磁导率大、矫顽力小 、容、容易磁化也容易退磁易磁化也容易退磁 、磁滞回线包、磁滞回线包围面积小、围面积小、 磁滞损耗小磁滞损耗小BH特点：剩余磁感应强度大、矫顽力特点：剩余磁感应强度大、矫顽力大、不容易磁化、也不容易退磁大、不容易磁化、也不容易退磁 磁滞回线宽。磁滞回线宽。磁滞损耗大矫顽力大，意味着磁化磁滞损耗大矫顽力大，意味着磁化后剩余磁感应强度很大，称为永磁后剩余磁感应强度很大，称为永磁铁。记忆元件。铁。记忆元件

2、。硬磁材料硬磁材料BH矩磁材料矩磁材料特点：磁滞回线呈矩形状特点：磁滞回线呈矩形状应用：作计算机中的记忆元件，应用：作计算机中的记忆元件， 磁化时极性的反转构成了磁化时极性的反转构成了“0”与与“1”BH软软磁磁BH半导体材料的分类非晶态半导体的各种现象和应用2.7 热电材料热电材料定义：（也称温差电材料，定义：（也称温差电材料，thermoelectric materials）是一种利）是一种利用固体内部载流子运动，实现热能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。和电能直接相互转换的功能材料。热电效应：热电效应是电流引起的热电效应：热电效应是电流引起的可逆热效应和温差引起

3、的电效应的可逆热效应和温差引起的电效应的总称，包括总称，包括Seebeck效应、效应、Peltier效效应和应和Thomson效应效应 （1 1） SeebeckSeebeck效应：温差热效应，在材料效应：温差热效应，在材料 的两端外加的两端外加一定的温度差时，相应材料的两端会产生一定的电动势一定的温度差时，相应材料的两端会产生一定的电动势。 这一效应是制造热电偶测量温度和将热能直接转换成电这一效应是制造热电偶测量温度和将热能直接转换成电能的理论基础能的理论基础 （2 2） PeltierPeltier效应：是效应：是SeebeckSeebeck效应的逆效应，指在材效应的逆效应，指在材料中通以

4、一定方向的电流时，相应材料两端分别会产生料中通以一定方向的电流时，相应材料两端分别会产生吸放热现象。改变电流方向，吸放热端也随之反向。冷吸放热现象。改变电流方向，吸放热端也随之反向。冷热温差幅度由电流大小而定。热温差幅度由电流大小而定。 （3 3） ThomsonThomson效应效应：当电流通过一跟两端温度不同的导当电流通过一跟两端温度不同的导体（铅以外）时，若电流方向与热流方向一致则会放出体（铅以外）时，若电流方向与热流方向一致则会放出热量（电流产生的焦耳热之外），反之则会吸热。热量（电流产生的焦耳热之外），反之则会吸热。热电器件工作原理热电器件工作原理Seebeck效应效应绿色能源：体积

5、小重量轻结构简单坚固耐用无需运动部件无磨损无噪音1. 无污染热电性能评价热电性能评价ZT：热电优值：热电优值3 热电效率热电效率 材料的热电效率可定义为热电优值，用材料的热电效率可定义为热电优值，用ZT来评估：来评估： ZT= S2T/K S 为热电势或为热电势或Seebeck系数系数 ； T 绝对温度；绝对温度；电导率；电导率；K 热导率热导率 S2称功率因子称功率因子 提高热电材料的提高热电材料的ZT：1）提高功率因子）提高功率因子 2）降低热导率）降低热导率 影响功率因子的物理机制：散射参数、能态密度、载影响功率因子的物理机制：散射参数、能态密度、载流子移动度及费米能级等四项，前三项是材

6、料的本质流子移动度及费米能级等四项，前三项是材料的本质性质，只能依靠样品的纯度来改进；性质，只能依靠样品的纯度来改进； 实际上控制功率因子可以通过改变掺杂浓度来调整费实际上控制功率因子可以通过改变掺杂浓度来调整费米能级来控制米能级来控制 热导率包括：晶格热传导系数（热导率包括：晶格热传导系数（kLkL）及）及电子热传导系数（电子热传导系数（keke） 热电材料大部分来自于晶格热电材料大部分来自于晶格 KL KL 正比于样品定容比热、声速及平均自正比于样品定容比热、声速及平均自由程三个物理量由程三个物理量 前两个为材料的本质，而平均自由程随前两个为材料的本质，而平均自由程随着材料中杂质或晶界的多

7、少而改变着材料中杂质或晶界的多少而改变 目前提高热电材料热电性能的主要方法有以目前提高热电材料热电性能的主要方法有以下几种下几种:( 1) 通过低维化改善热电材料的输运性能通过低维化改善热电材料的输运性能, 如如将该材料做成量子阱超晶格、在微孔中平行将该材料做成量子阱超晶格、在微孔中平行生长量子线、量子点等生长量子线、量子点等( 2) 通过掺杂修饰材料的能带结构通过掺杂修饰材料的能带结构,使材料的使材料的带隙和费米能级附近的状态密度增大带隙和费米能级附近的状态密度增大( 3) 通过梯度化扩大热电材料的使用温区通过梯度化扩大热电材料的使用温区,提提高热电输出功率高热电输出功率热电材料的分类热电材

8、料的分类 依据运作温度分三类：依据运作温度分三类： （1 1）碲化铋及其合金（）碲化铋及其合金（Te-BiTe-Bi系）：传统商用系）：传统商用热电材料，热电材料，ZT=1ZT=1；用于热电制冷等领域，运作；用于热电制冷等领域，运作温度温度450450度度 （2 2）碲化铅及其合金（）碲化铅及其合金（Te-PbTe-Pb系）温度范围广系）温度范围广，10001000度；热点产生器的材料度；热点产生器的材料 （3 3）硅锗合金：）硅锗合金：13001300度，常用于热电产生器度，常用于热电产生器由热电材料制成的制冷或发电装由热电材料制成的制冷或发电装置具有的特点：置具有的特点： 1）体积小，重量

9、轻，坚固，工作中无噪音）体积小，重量轻，坚固，工作中无噪音 2）温度控制可在）温度控制可在 正负正负0.1之间之间 3）不必使用）不必使用CFC，不造成污染，不造成污染 4）可回收热源并转化为电能，使用寿命大，）可回收热源并转化为电能，使用寿命大，易控制易控制缺点：缺点：效率低（效率低（5%），远小于传统的冰箱和发电机），远小于传统的冰箱和发电机应用应用 （1）：热电制冷）：热电制冷n针对半导体热电制冷器件，如饮水机、小冰箱、酒柜等针对半导体热电制冷器件，如饮水机、小冰箱、酒柜等应用（应用（2）：热电发电）：热电发电美国、德国、日本、美国、德国、日本、韩国等汽车公司韩国等汽车公司（ GM、 B

10、MW、HONDA、大众、现、大众、现代等）正在开展相关代等）正在开展相关研发工作，研发工作，可节省油可节省油耗耗5%；国内相关研究；国内相关研究刚刚起步（上汽）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，利用高聚光太阳能在基板上产生的热能发电，提高转换率；国家提高转换率；国家“973”计划、日本能源开发计划、日本能源开发机构机构NEDO、美国、美国DOE等均有所部署等均有所部署 聚光光伏太阳能辅助系统聚光光伏太阳能辅助系统利用燃烧热、地热、体利用燃烧热、地热、体表温差等热源，为野外表温差等热源，为野外作业、偏远山区、小型作业、偏远山区、小型电器、植入式医疗器械电器、植入式医疗器械等

11、提供电能等提供电能热电材料的应用热电材料的应用 热电器件方面研究热电器件方面研究较多的是热电发电较多的是热电发电机机( TEG) 和温差和温差制冷机。制冷机。 军工方面的应用军工方面的应用在深层宇宙探测中,TEG 技术被用于替代太阳能电池为探测器提供电能。美国军方和航空航天局(NASA)较早地将半导体热电堆发电技术应用于阿波罗、先锋者、开拓者、旅行者等空间任务中。比较典型的是伽利略号探测器上就装载了2 台285W 的碲化铅(PbTe)热电发电机(RTG)温差发电机温差发电机 早在早在20 世纪世纪80 年代初年代初, 美美国就完成了国就完成了5001000军用温差发电机的研制军用温差发电机的研制, 并于并于80 年代末正式列入年代末正式列入部队装备部队装备, 放在深海中为放在深海中为美国导弹定位系统网络美国导弹定位系统网络的组成部分的组成部分无线电信无线电信号转发系统供电。号转发系统供电。测温热电偶热电制冷带在手上的发电机带在手上的发电机掌握的内容掌握的内容 1