学院： 理学院
姓名： 李 特
学号： 0836005
前 言
材料的热电效应(又称温差电效应)，是电能与热能之间的相互耦合转换，从发现热电现象至今己有近200年的历史，然而真正将这一现象发展为有实用意义的能量转换技术与装置则是在20世纪50年代。热电材料(又称温差电材料)是将热能和电能进行转换的功能材料，在热电发电和制冷、恒温控制与温度测量等领域都有极为广阔的应用前景。利用热电材料制成热电 装配平台器件能够实现“热．电”的直接转换。热电器件具有很多独特的优点，如结构紧凑、没有运动部件、工作无噪声、无污染、安全不失效等，在少数尖端科技领域己经获得了成功的应用。近年来，随着计算机技术、航天技术、微电子技术、超导技术的发展，能源与环境危机的加剧，迫切需要小型、静态且能固定安装的寿命长的制冷装置和温差发电装置。与此同时，热电理论的发展和对热电材料实际应用研究的不断深入，热电学研究显示出了更为广泛的应用前景和发展潜力。 热电转换技术是利用半导体材料的Seebeck效应将热能转换成电能的一种新的能源转换和发电技术。因此，热电转换技术作为一种新型的、环境友好型能源转换技术，由于其可望广泛应用于大量而分散存在的低密度热能(如太阳热、垃圾燃烧余热、工厂排热、以及汽车尾气排热等)的热电发电，而引起世界各国特别是发达国家的高度重视。
一、热电学的基本理论
热电效应是由温差引起的电效应和电流引起的可逆热效应的总称。包括Seekbeck效应、Peltier效应和Thomson效应。1823年，Thomas Seebeck首次发现了金属的热电效应，也称作Seebeck效应，从而开始了人类对热电材料的研究和应用。
1.1 Seebeck效应
早在1821年，德国科学家Seebeck发现在锑和铜两种材料组成的回路中，当两个接点处于不同温度时，回路中便有电流流过。产生这种电流的电动势称为温差电动势，这种现象称为赛贝克效应(Seebeckeffect)，简单的讲就是通过材料的Seebeck效应将热能直接转变为电能。
1.2 Peltier效应
1834年法国物理学家C.A.Peltier观察到当电流通过两个不同导体的节点时，在节点附近有温度变化，当电流从某一方向流经回路的节点时，节点会变冷，而当电流反向的时候，结点温度会变热。此现象称为Peltier效应，简单的讲就是通过此效应直接将电能转换为热能。
1.3 Thomson效应
当一段有温度梯度的金属导体通有电流，时，原有的温度分布将被破坏，为了维持原有的温度分布，导体将吸收或者放出热量，这种现象称为Thomson效应用，导体在单位时间和
单位体积内放出或者吸收的热量与电流密度和温度梯度成正比。
二、热电材料的研究进展和发展趋势
如前所述，利用热电效应的热电转换装置已经成功应用于很多领域，而这种成功是建立在材料具有良好热电性能的基础之上，如何探索开发高性能热电材料一直是人们关注研究的重点。现有的热电固体理论已为如何寻高优值热电材料指出了探索途径。根据这些理论，研究者们一方面对常规热电材料做进一步深入研究，如改变材料的结构或调节掺杂以求提高其热电性能指数；另一方面，则致力于寻求高性能指数的新材料。
2.1 均质热电材料的研究进展
自60年代以来，人们研究了许多材料的热电性能，发现了许多有应用前景的半导体热电材料，如Zn4Sb3、PbTe、(Bi，Sb)2(Tc，Se)3、In(Sb,As,P)、Bi1-xSbx、GeSi等。其中，在低温领域(300--500 K)以(Bi，sb)2(Te，Se)3和Bi1-xsbx的热电性能最好，在中温领域(500--800 K)以PbTe性能最好，在高温领域(800--1200 K)毛毡带以SiGe性能最好。近几年来，由于材料体系的发展以及新的合成与制备技术的开发，人们在具有“电子晶体和声子玻璃”特
性的的Skutterudite化合物、量子阱超晶格低维热电材料以及氧化物热电材料的研究方面取得了重大突破，一些材料体系的ZT短期负荷预测值在300K左右可达到3，打破了近40年来ZT=1的限制，激发了人们探求高性能热电材料的浓厚兴趣。目前正在研究的热电材料，可归纳为以下几类：
(1)Skutterndite晶体结构化合物
Skutterndite晶体结构的化合物由于具有大的载流子迁移率，高的电导率和较大的Seebeck系数而在近年来作为一种新型的高性能中温热电材料引起世界各国的广泛关注。Skutterudite是一类通式为AB3的化合物(其中A是金属元素，如Ir，Co，Rh，蒙砂膏Fe等；B是V族元素如As，亨润成型机炮筒公司Sb，P等)，具有复杂的立方晶系晶体结构，一个单位晶胞包含了8个AB3分子，计32个原子，每个晶胞内还有两个较大的孔隙。
1996年，Sales.B.S，et al在Science上发表了有关填充Skutterudite的实验结果，计算表明优化的材料其ZT值可以达到1.4，使得这类材料成了最有前途的热电材料之一。美国橡树岭国家实验室和武汉理工大学、上硅所等科研机构也对方钴矿系列进行了大量研究，并得到了较高的热电性能指数。
(2>Clathrate笼合物
化学式为AxByC46-y，其中B和C位置的原子形成类似富勒稀的笼式孔洞，A代表孔洞中的填充原子。该化合物有较低的热导率。有人认为这是由于A高温瞬时灭菌位原子振动产生的低频声子，与笼式框架相互作用导致共振散射的结果。
(3)Half-Heusler化合物
Half-Heusler合金是指具有MniSn(M=Zr，Hf，Ti)结构的材料，由两个相互穿插的面心立方和一个位于中心的简单立方构成。
Half-Heusler合金性能类似于半导体，禁带宽度只O.1-o.5 eV，室温的Seebeck系数可达400VK-1。由于Half-Heusler合金具有良好的导电性，表现出较大的热电优值，因而它成为一类具有相当潜力的热电材料。通常认为在300K左右，其热电性能达到最大值。但该类材料的制备条件苛刻，通常需要较长时间的退火处理，在Ar气的保护下，800℃下退火，时间需要长达一个星期。近来，Xia对MCoSb的取代研究表明，在保证Seebeek系数基本不下降的情况下，可有效降低热导率。
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议