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熱電材料簡(jiǎn)介 141200008瞿曉丹 目錄 現(xiàn)實(shí)生活中的熱電材料熱電材料的基本概念我所現(xiàn)階段涉及的方面 相當(dāng)淺顯 一 現(xiàn)實(shí)生活中的熱電材料1 熱電制冷 2 熱電發(fā)電 美國(guó) 德國(guó) 日本 韓國(guó)等汽車(chē)公司 GM BMW HONDA 大眾 現(xiàn)代等 正在開(kāi)展相關(guān)研發(fā)工作 可節(jié)省油耗5 國(guó)內(nèi)相關(guān)研究剛剛起步 上汽 利用高聚光太陽(yáng)能在基板上產(chǎn)生的熱能發(fā)電 提高轉(zhuǎn)換率 國(guó)家 973 計(jì)劃 日本能源開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)NEDO 美國(guó)DOE等均有所部署 利用燃燒熱 地?zé)?體表溫差等熱源 為野外作業(yè) 偏遠(yuǎn)山區(qū) 器械等提供電能 1 什么是熱電材料 熱電材料 也稱溫差電材料thermoelectricmaterials 是一種利用固體內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料 二 基本概念 2 什么是熱電效應(yīng) 熱電效應(yīng)是電流引起的可逆熱效應(yīng)和溫差引起的電效應(yīng)的總稱 包括Seebeck效應(yīng) Peltier效應(yīng)和Thomson效應(yīng) 3 Seebeck效應(yīng) 1 定義 塞貝克 Seebeck 效應(yīng) 又稱作第一熱電效應(yīng) 它是指由于兩種不同電導(dǎo)體或半導(dǎo)體的溫度差異而引起兩種物質(zhì)間的電壓差的熱電現(xiàn)象 賽貝克電勢(shì)差V的計(jì)算公式 式中和為兩個(gè)不同材料的seebeck系數(shù) 2 Seebeck系數(shù) S為seebeck系數(shù)公式為 它的大小和符號(hào)取決于兩種材料的特性和兩結(jié)點(diǎn)的溫度 原則上講 當(dāng)載流子是電子時(shí) 冷端為負(fù) S是負(fù)值 如果空穴是主要載流子類型 那么熱端為負(fù) S是正值 3 利用seebeck效應(yīng) 由熱生電 溫差發(fā)電材料 主要有ZnSb PbTe GeTe SiGe等合金材料 半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)是 無(wú)噪聲 無(wú)磨損 無(wú)振動(dòng) 可靠性高 壽命長(zhǎng) 維修方便 易于控制和調(diào)節(jié) 可全天候工作 可替代電池 半導(dǎo)體溫差發(fā)電機(jī)的熱源 煤油 石油氣以及利用Pu238 sr90 Po210等放射性同位素 4 帕爾貼 Peltier 效應(yīng) 1 定義 即電流通過(guò)兩個(gè)不同導(dǎo)體形成的接點(diǎn)時(shí) 接點(diǎn)處會(huì)發(fā)生放熱或吸熱現(xiàn)象 稱為Peltier效應(yīng) 又稱第二熱電效應(yīng) 當(dāng)在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)T1和T2輸入一個(gè)電壓Vin 回路中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的電流I 接頭A處的熱量會(huì)被吸收 從而產(chǎn)生一個(gè)微弱的制冷現(xiàn)象 在B處 隨著熱量的流入溫度升高 2 利用帕爾貼效應(yīng) 由熱制冷 溫差致冷材料 主要是鉍 銻 硒 碲組成的固溶體 通常是由Bi Sb Te組成p型材料 Bi Se Te組成n型材料 目前 半導(dǎo)體致冷器所用材料是Bi2Te3 Sb2Te3 Bi2Se3及其固溶體 其優(yōu)值系數(shù)z為2 3 10 3 5 湯姆遜 Tomson 效應(yīng) 當(dāng)電流在已經(jīng)存在溫差的導(dǎo)體中流動(dòng)時(shí) 熱量會(huì)被吸收或者被放出 而電流方向和溫差之間的相對(duì)關(guān)系決定了材料在這個(gè)過(guò)程中是吸收熱量還是放出熱量 這一現(xiàn)象 我們稱為湯姆遜效應(yīng) 正湯姆遜熱效應(yīng)PositiveThomsoneffect 銅 鋅等 負(fù)湯姆遜熱效應(yīng)NegativeThomsoneffect 堿金屬 Co Ni Fe等 6 熱電性能評(píng)價(jià) 優(yōu)異熱電性能 Seebeck系數(shù)大電導(dǎo)率高熱導(dǎo)率低 7 熱電材料的優(yōu)點(diǎn) 沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件 熱電制冷器在工作的時(shí)候只用到電能 不會(huì)有任何運(yùn)動(dòng)的部件 這樣一來(lái) 它們基本上不需要維護(hù)保養(yǎng) 體積和重量很小 一個(gè)熱電制冷系統(tǒng)的體積和重量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相應(yīng)的機(jī)械式制冷體系 除此之外 對(duì)于各種嚴(yán)格的應(yīng)用要求 有各種標(biāo)準(zhǔn)的或特殊的尺寸和布局方式可供選擇 可以降溫到環(huán)境溫度以下 傳統(tǒng)的散熱器需要將溫度升高到環(huán)境溫度以上才可以使用 與其不同的是熱電制冷器具有將物體溫度降低到環(huán)境溫度以下的能力 同一器件可以滿足升溫和降溫的要求 熱電制冷器可以通過(guò)調(diào)整加載的直流電流的方向 調(diào)整制冷或者加熱模式 應(yīng)用這一特點(diǎn)就不必在給定體系內(nèi)加入另外獨(dú)立的加熱或者制冷功能元件 精確的溫度控制 由于熱電制冷器具有一個(gè)閉路溫度控制循環(huán) 它可以在0 1 范圍內(nèi)精確地控制溫度 高可靠性 由于全部為固態(tài)基構(gòu)造 熱電制冷器具有很高的可靠性 盡管某種程度上與應(yīng)用條件有關(guān) 但是典型熱電制冷器的壽命一般可以達(dá)到200 000小時(shí)以上 電子靜音 與傳統(tǒng)的機(jī)械式制冷器件不同 熱電制冷器在工作過(guò)程中基本上不會(huì)產(chǎn)生任何電子干擾信號(hào) 它可以與敏感的電子感應(yīng)器相連接 并不會(huì)干擾其工作 另外 它在運(yùn)行過(guò)程中也不會(huì)產(chǎn)生任何噪音 可以在任意角度下工作 熱電制冷器可以再任意角度和零重力狀態(tài)下工作 所以 在航天器械中應(yīng)用非常廣泛 簡(jiǎn)單方便的能源供給 熱電制冷器能夠直接使用直流電源 并且加載電源的電壓和電流能夠在很大范圍內(nèi)變化 在許多條件下 還可以使用脈沖寬度調(diào)制 點(diǎn)制冷 應(yīng)用熱電制冷器 可以做到對(duì)單獨(dú)的單元或者很小的區(qū)域進(jìn)行制冷 因此可以避免冷卻整個(gè)封裝器件或外殼時(shí)可能造成的能源浪費(fèi) 等等 三 我現(xiàn)階段所涉及的方面 皮毛 1 實(shí)驗(yàn)部分BaSi2的制備計(jì)算稱量 電子稱 熔煉 真空電弧爐 XRD測(cè)熱電性能 PPMS 壓片 2 計(jì)算部分 軟件模擬 Linux