C09：熱電材料課件

1、熱 電 材 料YOUR SITE HEREPPT大綱熱電材料的定義、分類熱電材料的特點(diǎn)、效應(yīng)熱電材料的制備熱電材料的研究現(xiàn)狀熱電材料應(yīng)用熱電材料的未來發(fā)展熱電材料的發(fā)展歷史YOUR SITE HERE1823年Seebeck發(fā)現(xiàn)塞貝克效應(yīng)1834年，Peltier 發(fā)現(xiàn)珀耳帖效應(yīng)熱可以制電，同時(shí)電反過來也能轉(zhuǎn)變成熱或者用來制冷熱電材料的發(fā)展歷程YOUR SITE HERE賽貝克效應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 當(dāng)兩種不同的導(dǎo)體聯(lián)接構(gòu)成閉合回路，且接點(diǎn)兩端處于不同溫度時(shí)，在接點(diǎn)兩端出現(xiàn)電壓降，在回路中產(chǎn)生電流的現(xiàn)象意義 這一效應(yīng)成為實(shí)現(xiàn)將熱能直接轉(zhuǎn)換為電能的理論基礎(chǔ).圖為實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)化模式的簡(jiǎn)單示意圖YOUR SIT

2、E HERE帕爾帖效應(yīng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象當(dāng)電流I通過由兩種不同導(dǎo)體聯(lián)結(jié)構(gòu)成的回路時(shí)，在兩接點(diǎn)處吸收和放出熱量的現(xiàn)象。意義這一效應(yīng)成為實(shí)現(xiàn)新概念型制冷機(jī)械的理。圖為實(shí)現(xiàn)制冷模式的簡(jiǎn)單示意圖.YOUR SITE HERE系列材料應(yīng)用范圍適宜溫度Bi-Te碲化鉍及其合金熱電制冷器材料450Pb-Te碲化鉛及其合金熱電產(chǎn)生器材料約1000Si-Ge硅鍺合金熱電產(chǎn)生器約1300中溫?zé)犭姴牧鲜吕齓OUR SITE HERE1 無任何噪音234材料體積小無排棄物污染不需要傳動(dòng)部件5性能可靠，壽命長(zhǎng)熱電材料的優(yōu)點(diǎn)YOUR SITE HERE粉末的冷焊和斷裂達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，粉末尺寸、成分趨于均勻化，其硬度亦達(dá)到飽和值。層片

3、復(fù)合形成等軸狀復(fù)合顆粒，顆粒內(nèi)部層片取向多樣化，厚度不斷減小、細(xì)化。冷焊占主導(dǎo)地位，粉末平均尺寸變大，顆粒數(shù)減小。粉末混合發(fā)生變形，其形狀呈狀，發(fā)生冷焊。1234MA過程粉末形狀及組織變化YOUR SITE HERE按目標(biāo)比例配置原料稱量原料粉末原料放入球磨罐轉(zhuǎn)速為400r/m，8h取粉，干燥保存性能檢測(cè)抽真空充Ar氣冷卻（行星球磨機(jī)）MA法制備Bi2Te3流程YOUR SITE HERE名稱原理優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)熱壓法材料合金化，制成粉末，熱壓成塊體消除解理缺陷，提高材料力學(xué)性能晶粒取向不同，各向異性性能SPS法加壓并瞬間加大電流，顆粒間放電，材料迅速升溫?zé)Y(jié)材料致密，時(shí)間短，容易控制晶粒尺寸和取向熱

4、擠壓法加熱時(shí)，擠壓變形產(chǎn)生大量缺陷、導(dǎo)致熱導(dǎo)率降低獲得很高的致密度、良好的機(jī)械性能溶劑熱法材料的合成在溶劑中進(jìn)行在常壓下溶劑將沸騰或劇烈揮發(fā)反應(yīng)溫度高，密封耐壓容器進(jìn)行制備法比較YOUR SITE HERE熱電材料國(guó)外進(jìn)展日本研究出相Zn4Sb3的構(gòu)造。準(zhǔn)備使用它將汽車尾氣所含熱量、工廠余熱轉(zhuǎn)化為電力。美國(guó)正研究一種聲子玻璃電子晶體型熱電材料(PGEC)。 日本德國(guó)開發(fā)出過半導(dǎo)體制冷冰箱，可做成便攜式。利用太陽能工作、解決了傳統(tǒng)冰箱對(duì)環(huán)境的破壞問題。瑞典北部利用燒柴取暖爐所產(chǎn)生的熱量，來發(fā)電并替代昂貴的汽油馬達(dá)發(fā)電機(jī)。YOUR SITE HERE熱電材料國(guó)內(nèi)進(jìn)展中國(guó)科學(xué)院固體物理研究所合成鉍銻

5、超晶格納米線薛方紅博士采用電化學(xué)和調(diào)制脈沖電沉積方法，成功地制備出了鉍銻超晶格納米線陣列，得到了結(jié)構(gòu)可控的調(diào)制納米線。該方法簡(jiǎn)單且成功率高，有望應(yīng)用到其他體系中。YOUR SITE HERE熱電材料的應(yīng)用1.制冷與發(fā)電2. 醫(yī)療3. 氧化物YOUR SITE HERE熱電材料制冷上的運(yùn)用制冷原理：利用熱電效應(yīng)中的帕爾帖效應(yīng)達(dá)到制冷目的。P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子為空穴，其空穴電流方向與電子相反。N型半導(dǎo)體的多數(shù)載流子為電子。半導(dǎo)體熱點(diǎn)單元制冷原理圖YOUR SITE HERE熱電材料的制冷在半導(dǎo)體材料硅或鍺晶體中不同價(jià)元素構(gòu)成不同。摻入三價(jià)元素雜質(zhì)構(gòu)成缺殼粒的P型半導(dǎo)體摻入五價(jià)元素雜質(zhì)構(gòu)成多余殼粒的

6、N形半導(dǎo)體。 “多子”、“少子”多子：在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子少子：空穴為小數(shù)載流子，而在P型中則相反。 YOUR SITE HEREA能量N電子勢(shì)能AP空穴結(jié)點(diǎn)3PA能量P空穴勢(shì)能結(jié)點(diǎn)4B1空穴P勢(shì)能放出N電子A結(jié)點(diǎn)2N結(jié)點(diǎn)1B1電子勢(shì)能放出電場(chǎng)作用下 過程解析YOUR SITE HERE熱電材料發(fā)電原理與熱電材料的制冷工作原理相反。當(dāng)熱電的結(jié)點(diǎn)受熱時(shí)，P型中進(jìn)行空穴的能量傳遞，N型中進(jìn)行電子傳遞能量，最后在兩極處出現(xiàn)電壓差。YOUR SITE HERE 周期添燃料和有氧時(shí)采用化石或碳?xì)淙剂献鰺嵩唇Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，堅(jiān)固耐用無運(yùn)動(dòng)部件，無噪聲能開發(fā)自身供能的電源系統(tǒng)1234熱電材料發(fā)電特點(diǎn)無

7、需照料5YOUR SITE HERE溫差電半導(dǎo)體材料在發(fā)電和制冷方面的領(lǐng)域YOUR SITE HERE熱電材料的應(yīng)用半導(dǎo)體制冷運(yùn)血箱制冷和制熱；抗震性強(qiáng)；重量輕，適合攜帶；無污染。冷敷儀采用半導(dǎo)體制冷技術(shù)為制冷源制造的冷敷儀可在5min內(nèi)從室溫降低到4，而且連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)并保持低溫，降低護(hù)理人員的工作量。冷凍切片機(jī)冷凍速度快、溫度低，操作簡(jiǎn)單方便，切片速度快，切片質(zhì)量高等。呼吸機(jī)半導(dǎo)體制冷氣泵體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無噪聲，冷凝速度快，冷凝效率高等，廣泛應(yīng)用于高檔呼吸機(jī)氣泵中。例如西門子900一C呼吸機(jī)。Nd:YAG激光手術(shù)器半導(dǎo)體制冷技術(shù)的Nd :YAG激光手術(shù)器，體積小、重量輕、使用方便、連續(xù)工作時(shí)間

8、長(zhǎng)等，還具有完善的溫控報(bào)警裝置YOUR SITE HERE氧化物熱電材料的應(yīng)用層狀金屬氧化物由十具有二維況，體結(jié)構(gòu)，其Seebeck系數(shù)很高而聲子熱導(dǎo)率非常低，是一種極具開發(fā)前景的熱電材料。鈣欽礦型復(fù)合氧化物具有優(yōu)異的鐵電壓電介電和熱釋電性能，被廣泛用于制造隨機(jī)存取存儲(chǔ)器壓電傳感器和致動(dòng)器熱釋電傳感器陣列和電容器等。低維氧化物熱電材料日本通產(chǎn)省土業(yè)技術(shù)院大阪土業(yè)技術(shù)研究所開發(fā)出了熱電轉(zhuǎn)換效率超過15 % 20%的P型熱電氧化物的纖維狀單結(jié)n。YOUR SITE HERE低維化途徑拓寬應(yīng)用溫度范圍優(yōu)化載流子濃度梯度化YOUR SITE HERE溫差電半導(dǎo)體材料低維度熱電材料低維度熱電材料半導(dǎo)體材

9、料低維度熱電材料填充式導(dǎo)電聚合物復(fù)合材料功能梯度材料超晶格材料準(zhǔn)晶材料新型熱電復(fù)合材料氧化物熱電材料溫差電池提高熱電性能的材料研發(fā) 主要研究材料哪個(gè)是主欄YOUR SITE HERECa3Co4O9材料由絕緣層Ca2CoO3 和導(dǎo)電層CoO2交替沿c 軸排列組成, 沿層方向的電導(dǎo)率是其垂直方向電導(dǎo)率的2 倍。兩者有相同的a、c、值及不同的b 值, a = 4. 8376 , c = 10. 833 ,= 98. 06。摻雜優(yōu)化YOUR SITE HERE熱電微型器件的發(fā)展背景：近年來，移動(dòng)通信和筆記本計(jì)算機(jī)等信息技術(shù)不斷發(fā)展，筆記本電腦等移動(dòng)體電器不斷小型化和高功能化，使得電源，冷卻系統(tǒng)和分散

10、性推進(jìn)系統(tǒng)的熱電器件也不斷的向微型化發(fā)展，這為熱電材料的應(yīng)用開辟了一個(gè)新的領(lǐng)域。YOUR SITE HERE熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)定義：熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種利用半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的綠色能源，得到世界許多國(guó)家的高度重視和大量投入。YOUR SITE HERE熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)運(yùn)用：日本利用這項(xiàng)技術(shù)，建立了500W級(jí)垃圾燃燒余熱發(fā)電示范系統(tǒng)，取得了良好的實(shí)際效果。美國(guó)公司開發(fā)了多種熱電發(fā)電系統(tǒng)，均已投入使用，如在大型貨運(yùn)卡車上安裝1000W級(jí)的廢熱發(fā)電系統(tǒng)，為汽車提供輔助電源等。YOUR SITE HERE熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)正伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的步伐在逐漸走進(jìn)我們的生活。熱電

11、飲水機(jī)、熱電冰箱和熱電空調(diào)都已經(jīng)出現(xiàn)，并且在逐步推廣。舉例熱電冰箱不需要制冷劑和壓縮機(jī)，只要提供一個(gè)直流電源就能夠制冷。和傳統(tǒng)制冷設(shè)備相比，氟里昂所帶來的環(huán)境問題迎刃而解。YOUR SITE HERE熱電材料其他方面的應(yīng)用生長(zhǎng)在傾斜切割襯底上薄膜的新的應(yīng)用最新高密度磁記錄材料FePt 薄膜的開發(fā)小型發(fā)電系統(tǒng)和制冷系統(tǒng)電子和光電子元器件的冷切和恒溫光通訊二極管和紅外線傳感器的調(diào)溫系統(tǒng)軍事移動(dòng)能源以及衛(wèi)星空間站上的發(fā)電系統(tǒng)等YOUR SITE HERE目前熱電發(fā)展國(guó)外情況： 十氧化物熱電材料的研究已拓展到廢熱發(fā)電、低功率電源等領(lǐng)域的實(shí)用階段。國(guó)內(nèi)情況：中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、清華大學(xué)、華東理工

12、大學(xué)等單位已在基礎(chǔ)和應(yīng)用研究方面展開合作，并取得了初步的成果。目前，由十氧化物熱電材料本身的熱電性能不高使得材料的實(shí)際應(yīng)用受到了限制。所以，提高現(xiàn)有材料的品質(zhì)因子或才一找具有高品質(zhì)因子的新材料是當(dāng)務(wù)之急。YOUR SITE HERE未來發(fā)展趨勢(shì)由于氧化物熱電材料與合金熱電材料良好的性能優(yōu)點(diǎn)，在高溫工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力很大。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，能源環(huán)境問題日益突出，熱電材料由于其在低品位能源利用以及環(huán)境保護(hù)方面的特殊功能，必將成為我國(guó)新材料和綠色能源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。YOUR SITE HERE參考文獻(xiàn)【1】產(chǎn)業(yè)透視 2004年第8期 總期129期熱電材料的應(yīng)用及研究進(jìn)展（劉靜，李敬鋒)【2】牡丹江醫(yī)學(xué)院學(xué)報(bào) 2004年 第25卷 第1期半導(dǎo)體熱電材料制冷原理及其在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用(呂強(qiáng), 胡建民, 信江波,榮劍英) 【3】硅酸鹽通報(bào)2005年第3期 綜合評(píng)述氧化物熱電材料的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用（毛順杰，奕偉玲，黃墟，涂善東，郭景坤）【4】電工材料 2004 No. 1熱電材料綜述（馬秋花，趙昆渝，