功能材料課件系列：功能轉換材料

熱電、壓電材料

和功能轉換材料熱電、壓電材料

和功能轉換材料1熱電材料熱電第一效應1821年賽貝克發(fā)現(xiàn)當兩種不同的金屬A、B組成回路，且兩接觸點溫度不同時，在回路中產(chǎn)生電流，這稱為賽貝克效應。也叫熱電第一效應.應用：熱電偶T2T1AVabB-b+aI熱電材料熱電第一效應T2T1AVabB-b+aI2熱電第二效應1834年帕爾帖發(fā)現(xiàn)，當兩種金屬組成回路并有電流通過時，回路中的兩個接點一個吸熱，另一個放熱。改變電流方向，吸、放熱的接點也對調。這稱為帕爾帖效應。又叫熱電第二效應。應用熱電制冷器熱電效應發(fā)現(xiàn)后的一百多年以后才成功應用到熱電制冷設備中，主要是受材料的限制。金屬導體中，帕爾貼效應很弱，但在化合物半導體中效果佳。熱電第二效應3壓電材料壓電效應：是指某些晶體材料上施加機械應力時，晶體的某些表面會產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象通常稱為正壓電效應；反之在晶體的某些方向施加電場時，晶體會產(chǎn)生幾何形狀的變化，這種現(xiàn)象通常稱為逆壓電效應。正逆壓電效應統(tǒng)稱為壓電效應。壓電材料壓電效應：4壓電效應僅存在于沒有對稱中心的晶體中。利用壓電效應，可實現(xiàn)電聲、聲電轉換；軍事上可有效偵測潛艇：電磁波無法有效穿透海水，而聲波則可以。利用石英壓電晶體管作為聲波產(chǎn)生器，石英兩面各貼一鋼片，使其振蕩頻率降到50KHz，外加一電脈波訊號，則經(jīng)換能器轉換成聲波；過一段時間后，換能器接收到反射之回波，由來回時間及聲波在海中行進的速度，可測潛艇的位置。這也是為什么水晶一直是兵家必爭之故。壓電效應僅存在于沒有對稱中心的晶體中。5實際應用的壓電材料壓電效應的存在條件：無對稱中心無對稱中心的晶體，如石英；壓電陶瓷單個晶粒無對稱中心，但由于陶瓷為多晶結構，各個晶粒的隨機取向，使其宏觀具有各向同性的均勻特性，所以陶瓷材料未經(jīng)極化不具備壓電特性；經(jīng)強直流電場極化處理后，各晶粒取向趨于一致，外場去除后，仍殘留一部分剩余極化強度，使其轉變成各向異性的非對稱中心材料，對外顯示壓電特性。實際應用的壓電材料壓電效應的存在條件：無對稱中心6鐵電材料鐵電體：即使無外加電場，材料中存在自發(fā)極化，而且自發(fā)極化的方向隨電場作用而轉向。這一類材料稱為鐵電體。鐵電體的兩個特點：具有電滯回線具有許多電疇鐵電材料鐵電體：即使無外加電場，材料中存在自發(fā)極化，而且自發(fā)7電滯回線鐵電體的鐵電性受溫度影響，當溫度升高到一定數(shù)值時，自發(fā)極化消失，轉變成順電體。轉變點稱居里溫度。JPDGFBHKOAEOA為起始極化曲線，ＢＤＦＧ和ＧＨＫＢ分別為兩條退極化曲線電滯回線鐵電體的鐵電性受溫度影響，當溫度升高到一定數(shù)值時，自8壓電材料與鐵電材料壓電材料存在于沒有對稱中心的材料中；極性點群都是不具有對稱中心的，所以鐵電材料均具有壓電效應；但反之不然，并不是所有的非對稱中心材料都具有電極化特性，因此壓電材料不一定都是鐵電材料。壓電材料與鐵電材料壓電材料存在于沒有對稱中心的材料中；9光電材料光電效應：物質在受到光照后，往往會引發(fā)其某些電性質的變化。這一現(xiàn)象稱為光電效應。主要有光電導效應、光生伏特效應和光電子發(fā)射效應三種：光電導效應和光生伏特效應發(fā)生在物體內部，統(tǒng)稱為內光電效應，它一般發(fā)生于半導體中；光電子發(fā)射效應產(chǎn)生于物體表面，又稱外光電效應。它主要發(fā)生于金屬中。光電材料光電效應：物質在受到光照后，往往會引發(fā)其某些電性質的10光電導效應：由于光照引起材料的電導率發(fā)生變化的現(xiàn)象。本質由于光子能量大于半導體材料的Eg，則電子有價帶向導帶躍遷，成對的產(chǎn)生電子－空穴，稱本征光電導；若僅激發(fā)禁帶中雜質能級上的電子或空穴，則稱雜質光電導。ＣＶ雜質能級雜質能級雜質能級雜質能級光電導效應：ＣＶ雜質能級雜質能級雜質能級雜質能級11光生伏特效應：如果光照到半導體的P-N結上，則在P-N結的兩端會出現(xiàn)電動勢，P區(qū)為正極，N為負極。本質：由于兩端載流子濃度差，會存在自發(fā)擴散，在內部形成自建電場；自建電場阻礙兩端載流子的繼續(xù)擴散，并最終停止；如有光子（）入射到P-N結上，則在P-N結附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴；在自建電場作用下，光生電子向N區(qū)移動，光生空穴向P區(qū)移動。

NPｅv空間電荷區(qū)Eve光生伏特效應：NPｅv空間電荷區(qū)Eve12光生伏特效應的應用太陽能電池－結構如圖抗反射涂層：增透減反，提高日光利用率，并且保護核心半導體材料。黑色？n區(qū)、p區(qū)和p－n結，屬核心半導體區(qū)，典型的材料是硅電流匯集排電極柵抗反射涂層n區(qū)P區(qū)p－n結金屬背電極硅半導體單晶硅：轉換效率最高，14－15%，但材料和工藝成本高；多晶硅：10～12％非晶硅：7～9％易制成薄膜光生伏特效應的應用太陽能電池－結構如圖電流匯集排電極柵抗反射13光電子發(fā)射效應：當金屬或半導體受到光照射時，其表面和體內的電子因吸收光子能量而被激發(fā)，如果被激發(fā)的電子具有足夠的能量，足以克服表面勢壘而從表面離開，就產(chǎn)生光電子發(fā)射效應。光電子發(fā)射效應：14第18章新型功能材料定義IntelligentMaterials，簡稱IM，是指對環(huán)境可感知、響應和處理后，能適應環(huán)境的材料。它是一種融材料技術和信息技術于一體的新概念功能材料?；竟δ?缺一不可)傳感處理執(zhí)行第18章新型功能材料定義15梯度功能材料functionallygradiemmaterials，簡稱FGM，是根據(jù)一種全新的材料設汁概念而開發(fā)的一種新型功能材料。它是一種特制的、集各種單一組元(如金屬、陶瓷、纖維、聚合物等)的最佳優(yōu)點來獲得某種特殊性能的，具有一維、二維或三維梯度變化的新材料。與通常的混雜材料和復合材料相比有明顯的差別。其設計思想是在材料的制備過程中連續(xù)控制材料的微觀要素(如組成和結構)，使材料內部不存在明顯的界面．從而得到功能相應與組成和結構的變化緩慢的非勻質材料，可緩和材料內部的應力，減小和克服結合部位的性能不匹配因素，適應新的使用條件和環(huán)境。梯度功能材料functionallygradiemmat16功能復合材料功能復合材料是復合材料的重要組成部分。是指除能提供機械性能外