金屬類功能材料簡介

1、2.1 超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料2.7 熱電材料熱電材料2.3.2 2.3.2 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：非晶態(tài)合金的原子結(jié)構(gòu) “長程無序，短程有序”。BH軟磁材料軟磁材料 特點(diǎn)：磁導(dǎo)率大、矯頑力小特點(diǎn)：磁導(dǎo)率大、矯頑力小 、容、容易磁化也容易退磁易磁化也容易退磁 、磁滯回線包、磁滯回線包圍面積小、圍面積小、 磁滯損耗小磁滯損耗小BH特點(diǎn)：剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度大、矯頑力特點(diǎn)：剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度大、矯頑力大、不容易磁化、也不容易退磁大、不容易磁化、也不容易退磁 磁滯回線寬。磁滯回線寬。磁滯損耗大矯頑力大，意味著磁化磁滯損耗大矯頑力大，意味著磁化后剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度很大，稱為永磁后剩余磁感應(yīng)強(qiáng)度很大，稱為永磁鐵。記憶元件。鐵。記憶元件

2、。硬磁材料硬磁材料BH矩磁材料矩磁材料特點(diǎn)：磁滯回線呈矩形狀特點(diǎn)：磁滯回線呈矩形狀應(yīng)用：作計算機(jī)中的記憶元件，應(yīng)用：作計算機(jī)中的記憶元件， 磁化時極性的反轉(zhuǎn)構(gòu)成了磁化時極性的反轉(zhuǎn)構(gòu)成了“0”與與“1”BH軟軟磁磁BH半導(dǎo)體材料的分類非晶態(tài)半導(dǎo)體的各種現(xiàn)象和應(yīng)用2.7 熱電材料熱電材料定義：（也稱溫差電材料，定義：（也稱溫差電材料，thermoelectric materials）是一種利）是一種利用固體內(nèi)部載流子運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)熱能用固體內(nèi)部載流子運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料。和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料。熱電效應(yīng)：熱電效應(yīng)是電流引起的熱電效應(yīng)：熱電效應(yīng)是電流引起的可逆熱效應(yīng)和溫差引起

3、的電效應(yīng)的可逆熱效應(yīng)和溫差引起的電效應(yīng)的總稱，包括總稱，包括Seebeck效應(yīng)、效應(yīng)、Peltier效效應(yīng)和應(yīng)和Thomson效應(yīng)效應(yīng) （1 1） SeebeckSeebeck效應(yīng)：溫差熱效應(yīng)，在材料效應(yīng)：溫差熱效應(yīng)，在材料 的兩端外加的兩端外加一定的溫度差時，相應(yīng)材料的兩端會產(chǎn)生一定的電動勢一定的溫度差時，相應(yīng)材料的兩端會產(chǎn)生一定的電動勢。 這一效應(yīng)是制造熱電偶測量溫度和將熱能直接轉(zhuǎn)換成電這一效應(yīng)是制造熱電偶測量溫度和將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能的理論基礎(chǔ)能的理論基礎(chǔ) （2 2） PeltierPeltier效應(yīng)：是效應(yīng)：是SeebeckSeebeck效應(yīng)的逆效應(yīng)，指在材效應(yīng)的逆效應(yīng)，指在材料中通以

4、一定方向的電流時，相應(yīng)材料兩端分別會產(chǎn)生料中通以一定方向的電流時，相應(yīng)材料兩端分別會產(chǎn)生吸放熱現(xiàn)象。改變電流方向，吸放熱端也隨之反向。冷吸放熱現(xiàn)象。改變電流方向，吸放熱端也隨之反向。冷熱溫差幅度由電流大小而定。熱溫差幅度由電流大小而定。 （3 3） ThomsonThomson效應(yīng)效應(yīng)：當(dāng)電流通過一跟兩端溫度不同的導(dǎo)當(dāng)電流通過一跟兩端溫度不同的導(dǎo)體（鉛以外）時，若電流方向與熱流方向一致則會放出體（鉛以外）時，若電流方向與熱流方向一致則會放出熱量（電流產(chǎn)生的焦耳熱之外），反之則會吸熱。熱量（電流產(chǎn)生的焦耳熱之外），反之則會吸熱。熱電器件工作原理熱電器件工作原理Seebeck效應(yīng)效應(yīng)綠色能源：體積

5、小重量輕結(jié)構(gòu)簡單堅固耐用無需運(yùn)動部件無磨損無噪音1. 無污染熱電性能評價熱電性能評價ZT：熱電優(yōu)值：熱電優(yōu)值3 熱電效率熱電效率 材料的熱電效率可定義為熱電優(yōu)值，用材料的熱電效率可定義為熱電優(yōu)值，用ZT來評估：來評估： ZT= S2T/K S 為熱電勢或?yàn)闊犭妱莼騍eebeck系數(shù)系數(shù) ； T 絕對溫度；絕對溫度；電導(dǎo)率；電導(dǎo)率；K 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率 S2稱功率因子稱功率因子 提高熱電材料的提高熱電材料的ZT：1）提高功率因子）提高功率因子 2）降低熱導(dǎo)率）降低熱導(dǎo)率 影響功率因子的物理機(jī)制：散射參數(shù)、能態(tài)密度、載影響功率因子的物理機(jī)制：散射參數(shù)、能態(tài)密度、載流子移動度及費(fèi)米能級等四項(xiàng)，前三項(xiàng)是材

6、料的本質(zhì)流子移動度及費(fèi)米能級等四項(xiàng)，前三項(xiàng)是材料的本質(zhì)性質(zhì)，只能依靠樣品的純度來改進(jìn)；性質(zhì)，只能依靠樣品的純度來改進(jìn)； 實(shí)際上控制功率因子可以通過改變摻雜濃度來調(diào)整費(fèi)實(shí)際上控制功率因子可以通過改變摻雜濃度來調(diào)整費(fèi)米能級來控制米能級來控制 熱導(dǎo)率包括：晶格熱傳導(dǎo)系數(shù)（熱導(dǎo)率包括：晶格熱傳導(dǎo)系數(shù)（kLkL）及）及電子熱傳導(dǎo)系數(shù)（電子熱傳導(dǎo)系數(shù)（keke） 熱電材料大部分來自于晶格熱電材料大部分來自于晶格 KL KL 正比于樣品定容比熱、聲速及平均自正比于樣品定容比熱、聲速及平均自由程三個物理量由程三個物理量 前兩個為材料的本質(zhì)，而平均自由程隨前兩個為材料的本質(zhì)，而平均自由程隨著材料中雜質(zhì)或晶界的多

7、少而改變著材料中雜質(zhì)或晶界的多少而改變 目前提高熱電材料熱電性能的主要方法有以目前提高熱電材料熱電性能的主要方法有以下幾種下幾種:( 1) 通過低維化改善熱電材料的輸運(yùn)性能通過低維化改善熱電材料的輸運(yùn)性能, 如如將該材料做成量子阱超晶格、在微孔中平行將該材料做成量子阱超晶格、在微孔中平行生長量子線、量子點(diǎn)等生長量子線、量子點(diǎn)等( 2) 通過摻雜修飾材料的能帶結(jié)構(gòu)通過摻雜修飾材料的能帶結(jié)構(gòu),使材料的使材料的帶隙和費(fèi)米能級附近的狀態(tài)密度增大帶隙和費(fèi)米能級附近的狀態(tài)密度增大( 3) 通過梯度化擴(kuò)大熱電材料的使用溫區(qū)通過梯度化擴(kuò)大熱電材料的使用溫區(qū),提提高熱電輸出功率高熱電輸出功率熱電材料的分類熱電材

8、料的分類 依據(jù)運(yùn)作溫度分三類：依據(jù)運(yùn)作溫度分三類： （1 1）碲化鉍及其合金（）碲化鉍及其合金（Te-BiTe-Bi系）：傳統(tǒng)商用系）：傳統(tǒng)商用熱電材料，熱電材料，ZT=1ZT=1；用于熱電制冷等領(lǐng)域，運(yùn)作；用于熱電制冷等領(lǐng)域，運(yùn)作溫度溫度450450度度 （2 2）碲化鉛及其合金（）碲化鉛及其合金（Te-PbTe-Pb系）溫度范圍廣系）溫度范圍廣，10001000度；熱點(diǎn)產(chǎn)生器的材料度；熱點(diǎn)產(chǎn)生器的材料 （3 3）硅鍺合金：）硅鍺合金：13001300度，常用于熱電產(chǎn)生器度，常用于熱電產(chǎn)生器由熱電材料制成的制冷或發(fā)電裝由熱電材料制成的制冷或發(fā)電裝置具有的特點(diǎn)：置具有的特點(diǎn)： 1）體積小，重量

9、輕，堅固，工作中無噪音）體積小，重量輕，堅固，工作中無噪音 2）溫度控制可在）溫度控制可在 正負(fù)正負(fù)0.1之間之間 3）不必使用）不必使用CFC，不造成污染，不造成污染 4）可回收熱源并轉(zhuǎn)化為電能，使用壽命大，）可回收熱源并轉(zhuǎn)化為電能，使用壽命大，易控制易控制缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：效率低（效率低（5%），遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的冰箱和發(fā)電機(jī)），遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的冰箱和發(fā)電機(jī)應(yīng)用應(yīng)用 （1）：熱電制冷）：熱電制冷n針對半導(dǎo)體熱電制冷器件，如飲水機(jī)、小冰箱、酒柜等針對半導(dǎo)體熱電制冷器件，如飲水機(jī)、小冰箱、酒柜等應(yīng)用（應(yīng)用（2）：熱電發(fā)電）：熱電發(fā)電美國、德國、日本、美國、德國、日本、韓國等汽車公司韓國等汽車公司（ GM、 B

10、MW、HONDA、大眾、現(xiàn)、大眾、現(xiàn)代等）正在開展相關(guān)代等）正在開展相關(guān)研發(fā)工作，研發(fā)工作，可節(jié)省油可節(jié)省油耗耗5%；國內(nèi)相關(guān)研究；國內(nèi)相關(guān)研究剛剛起步（上汽）剛剛起步（上汽）利用高聚光太陽能在基板上產(chǎn)生的熱能發(fā)電，利用高聚光太陽能在基板上產(chǎn)生的熱能發(fā)電，提高轉(zhuǎn)換率；國家提高轉(zhuǎn)換率；國家“973”計劃、日本能源開發(fā)計劃、日本能源開發(fā)機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)NEDO、美國、美國DOE等均有所部署等均有所部署 聚光光伏太陽能輔助系統(tǒng)聚光光伏太陽能輔助系統(tǒng)利用燃燒熱、地?zé)?、體利用燃燒熱、地?zé)帷Ⅲw表溫差等熱源，為野外表溫差等熱源，為野外作業(yè)、偏遠(yuǎn)山區(qū)、小型作業(yè)、偏遠(yuǎn)山區(qū)、小型電器、植入式醫(yī)療器械電器、植入式醫(yī)療器械等

11、提供電能等提供電能熱電材料的應(yīng)用熱電材料的應(yīng)用 熱電器件方面研究熱電器件方面研究較多的是熱電發(fā)電較多的是熱電發(fā)電機(jī)機(jī)( TEG) 和溫差和溫差制冷機(jī)。制冷機(jī)。 軍工方面的應(yīng)用軍工方面的應(yīng)用在深層宇宙探測中,TEG 技術(shù)被用于替代太陽能電池為探測器提供電能。美國軍方和航空航天局(NASA)較早地將半導(dǎo)體熱電堆發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于阿波羅、先鋒者、開拓者、旅行者等空間任務(wù)中。比較典型的是伽利略號探測器上就裝載了2 臺285W 的碲化鉛(PbTe)熱電發(fā)電機(jī)(RTG)溫差發(fā)電機(jī)溫差發(fā)電機(jī) 早在早在20 世紀(jì)世紀(jì)80 年代初年代初, 美美國就完成了國就完成了5001000軍用溫差發(fā)電機(jī)的研制軍用溫差發(fā)電機(jī)的研制, 并于并于80 年代末正式列入年代末正式列入部隊(duì)裝備部隊(duì)裝備, 放在深海中為放在深海中為美國導(dǎo)彈定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)美國導(dǎo)彈定位系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的組成部分的組成部分無線電信無線電信號轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)供電。號轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)供電。測溫?zé)犭娕紵犭娭评鋷г谑稚系陌l(fā)電機(jī)帶在手上的發(fā)電機(jī)掌握的內(nèi)容掌握的內(nèi)容 1