C09：热电材料课件

1、热 电 材 料YOUR SITE HEREPPT大纲热电材料的定义、分类热电材料的特点、效应热电材料的制备热电材料的研究现状热电材料应用热电材料的未来发展热电材料的发展历史YOUR SITE HERE1823年Seebeck发现塞贝克效应1834年，Peltier 发现珀耳帖效应热可以制电，同时电反过来也能转变成热或者用来制冷热电材料的发展历程YOUR SITE HERE赛贝克效应实验现象 当两种不同的导体联接构成闭合回路，且接点两端处于不同温度时，在接点两端出现电压降，在回路中产生电流的现象意义 这一效应成为实现将热能直接转换为电能的理论基础.图为实现热电转化模式的简单示意图YOUR SIT

2、E HERE帕尔帖效应实验现象当电流I通过由两种不同导体联结构成的回路时，在两接点处吸收和放出热量的现象。意义这一效应成为实现新概念型制冷机械的理。图为实现制冷模式的简单示意图.YOUR SITE HERE系列材料应用范围适宜温度Bi-Te碲化铋及其合金热电制冷器材料450Pb-Te碲化铅及其合金热电产生器材料约1000Si-Ge硅锗合金热电产生器约1300中温热电材料事例YOUR SITE HERE1 无任何噪音234材料体积小无排弃物污染不需要传动部件5性能可靠，寿命长热电材料的优点YOUR SITE HERE粉末的冷焊和断裂达到动态平衡，粉末尺寸、成分趋于均匀化，其硬度亦达到饱和值。层片

3、复合形成等轴状复合颗粒，颗粒内部层片取向多样化，厚度不断减小、细化。冷焊占主导地位，粉末平均尺寸变大，颗粒数减小。粉末混合发生变形，其形状呈状，发生冷焊。1234MA过程粉末形状及组织变化YOUR SITE HERE按目标比例配置原料称量原料粉末原料放入球磨罐转速为400r/m，8h取粉，干燥保存性能检测抽真空充Ar气冷却（行星球磨机）MA法制备Bi2Te3流程YOUR SITE HERE名称原理优点缺点热压法材料合金化，制成粉末，热压成块体消除解理缺陷，提高材料力学性能晶粒取向不同，各向异性性能SPS法加压并瞬间加大电流，颗粒间放电，材料迅速升温烧结材料致密，时间短，容易控制晶粒尺寸和取向热

4、挤压法加热时，挤压变形产生大量缺陷、导致热导率降低获得很高的致密度、良好的机械性能溶剂热法材料的合成在溶剂中进行在常压下溶剂将沸腾或剧烈挥发反应温度高，密封耐压容器进行制备法比较YOUR SITE HERE热电材料国外进展日本研究出相Zn4Sb3的构造。准备使用它将汽车尾气所含热量、工厂余热转化为电力。美国正研究一种声子玻璃电子晶体型热电材料(PGEC)。 日本德国开发出过半导体制冷冰箱，可做成便携式。利用太阳能工作、解决了传统冰箱对环境的破坏问题。瑞典北部利用烧柴取暖炉所产生的热量，来发电并替代昂贵的汽油马达发电机。YOUR SITE HERE热电材料国内进展中国科学院固体物理研究所合成铋锑

5、超晶格纳米线薛方红博士采用电化学和调制脉冲电沉积方法，成功地制备出了铋锑超晶格纳米线阵列，得到了结构可控的调制纳米线。该方法简单且成功率高，有望应用到其他体系中。YOUR SITE HERE热电材料的应用1.制冷与发电2. 医疗3. 氧化物YOUR SITE HERE热电材料制冷上的运用制冷原理：利用热电效应中的帕尔帖效应达到制冷目的。P型半导体多数载流子为空穴，其空穴电流方向与电子相反。N型半导体的多数载流子为电子。半导体热点单元制冷原理图YOUR SITE HERE热电材料的制冷在半导体材料硅或锗晶体中不同价元素构成不同。掺入三价元素杂质构成缺壳粒的P型半导体掺入五价元素杂质构成多余壳粒的

6、N形半导体。 “多子”、“少子”多子：在N型半导体中自由电子是多数载流子少子：空穴为小数载流子，而在P型中则相反。 YOUR SITE HEREA能量N电子势能AP空穴结点3PA能量P空穴势能结点4B1空穴P势能放出N电子A结点2N结点1B1电子势能放出电场作用下 过程解析YOUR SITE HERE热电材料发电原理与热电材料的制冷工作原理相反。当热电的结点受热时，P型中进行空穴的能量传递，N型中进行电子传递能量，最后在两极处出现电压差。YOUR SITE HERE 周期添燃料和有氧时采用化石或碳氢燃料做热源结构简单，坚固耐用无运动部件，无噪声能开发自身供能的电源系统1234热电材料发电特点无

7、需照料5YOUR SITE HERE温差电半导体材料在发电和制冷方面的领域YOUR SITE HERE热电材料的应用半导体制冷运血箱制冷和制热；抗震性强；重量轻，适合携带；无污染。冷敷仪采用半导体制冷技术为制冷源制造的冷敷仪可在5min内从室温降低到4，而且连续运转并保持低温，降低护理人员的工作量。冷冻切片机冷冻速度快、温度低，操作简单方便，切片速度快，切片质量高等。呼吸机半导体制冷气泵体积小、结构简单、无噪声，冷凝速度快，冷凝效率高等，广泛应用于高档呼吸机气泵中。例如西门子900一C呼吸机。Nd:YAG激光手术器半导体制冷技术的Nd :YAG激光手术器，体积小、重量轻、使用方便、连续工作时间

8、长等，还具有完善的温控报警装置YOUR SITE HERE氧化物热电材料的应用层状金属氧化物由十具有二维况，体结构，其Seebeck系数很高而声子热导率非常低，是一种极具开发前景的热电材料。钙钦矿型复合氧化物具有优异的铁电压电介电和热释电性能，被广泛用于制造随机存取存储器压电传感器和致动器热释电传感器阵列和电容器等。低维氧化物热电材料日本通产省土业技术院大阪土业技术研究所开发出了热电转换效率超过15 % 20%的P型热电氧化物的纤维状单结n。YOUR SITE HERE低维化途径拓宽应用温度范围优化载流子浓度梯度化YOUR SITE HERE温差电半导体材料低维度热电材料低维度热电材料半导体材

9、料低维度热电材料填充式导电聚合物复合材料功能梯度材料超晶格材料准晶材料新型热电复合材料氧化物热电材料温差电池提高热电性能的材料研发 主要研究材料哪个是主栏YOUR SITE HERECa3Co4O9材料由绝缘层Ca2CoO3 和导电层CoO2交替沿c 轴排列组成, 沿层方向的电导率是其垂直方向电导率的2 倍。两者有相同的a、c、值及不同的b 值, a = 4. 8376 , c = 10. 833 ,= 98. 06。掺杂优化YOUR SITE HERE热电微型器件的发展背景：近年来，移动通信和笔记本计算机等信息技术不断发展，笔记本电脑等移动体电器不断小型化和高功能化，使得电源，冷却系统和分散

10、性推进系统的热电器件也不断的向微型化发展，这为热电材料的应用开辟了一个新的领域。YOUR SITE HERE热电转换技术定义：热电转换技术是一种利用半导体材料实现热能和电能直接相互转换的绿色能源，得到世界许多国家的高度重视和大量投入。YOUR SITE HERE热电转换技术运用：日本利用这项技术，建立了500W级垃圾燃烧余热发电示范系统，取得了良好的实际效果。美国公司开发了多种热电发电系统，均已投入使用，如在大型货运卡车上安装1000W级的废热发电系统，为汽车提供辅助电源等。YOUR SITE HERE热电转换技术发展状况热电转换技术正伴随着现代科学技术不断进步的步伐在逐渐走进我们的生活。热电

11、饮水机、热电冰箱和热电空调都已经出现，并且在逐步推广。举例热电冰箱不需要制冷剂和压缩机，只要提供一个直流电源就能够制冷。和传统制冷设备相比，氟里昂所带来的环境问题迎刃而解。YOUR SITE HERE热电材料其他方面的应用生长在倾斜切割衬底上薄膜的新的应用最新高密度磁记录材料FePt 薄膜的开发小型发电系统和制冷系统电子和光电子元器件的冷切和恒温光通讯二极管和红外线传感器的调温系统军事移动能源以及卫星空间站上的发电系统等YOUR SITE HERE目前热电发展国外情况： 十氧化物热电材料的研究已拓展到废热发电、低功率电源等领域的实用阶段。国内情况：中国科学院上海硅酸盐研究所、清华大学、华东理工

12、大学等单位已在基础和应用研究方面展开合作，并取得了初步的成果。目前，由十氧化物热电材料本身的热电性能不高使得材料的实际应用受到了限制。所以，提高现有材料的品质因子或才一找具有高品质因子的新材料是当务之急。YOUR SITE HERE未来发展趋势由于氧化物热电材料与合金热电材料良好的性能优点，在高温工业领域的应用潜力很大。随着我国国民经济的迅速发展，能源环境问题日益突出，热电材料由于其在低品位能源利用以及环境保护方面的特殊功能，必将成为我国新材料和绿色能源研究领域的热点。YOUR SITE HERE参考文献【1】产业透视 2004年第8期 总期129期热电材料的应用及研究进展（刘静，李敬锋)【2】牡丹江医学院学报 2004年 第25卷 第1期半导体热电材料制冷原理及其在医学上的应用(吕强, 胡建民, 信江波,荣剑英) 【3】硅酸盐通报2005年第3期 综合评述氧化物热电材料的研究现状与应用（毛顺杰，奕伟玲，黄墟，涂善东，郭景坤）【4】电工材料 2004 No. 1热电材料综述（马秋花，赵昆渝，