熱電材料研究現(xiàn)狀及應(yīng)用課件

1、熱電材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用主要內(nèi)容熱電材料簡(jiǎn)介及原理熱電材料種類與研究現(xiàn)狀熱電材料的應(yīng)用熱電材料簡(jiǎn)介及原理熱電材料(又稱溫差電材料)是一種利用固體內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料，主要用于熱電發(fā)電和制冷。熱電效應(yīng)與熱電性能 熱電效應(yīng)是溫差引起的電效應(yīng)和電流引起的可逆熱效應(yīng)的總稱。熱電效應(yīng)包括3種相關(guān)聯(lián)的效應(yīng)：Seebeck效應(yīng)、Peltier效應(yīng)和Thomson效應(yīng)。 熱電材料性能的優(yōu)劣用熱電優(yōu)值來表示，即：Z=S2/ 其中：S為Seebeek系數(shù)，為電導(dǎo)率，為熱導(dǎo) 率。不同環(huán)境溫度下材料的Z值不同，因此人們習(xí)慣 上用熱電優(yōu)值和溫度之積ZT這一無量綱量來表示熱電材料性能的好壞

2、。材料的ZT值越大，熱電性能越好，熱電轉(zhuǎn)換效率就越高。熱電材料種類與研究現(xiàn)狀方鈷礦型熱電材料 方鈷礦( Skutterudite)是一類通式為AB3的化合物，其中A是金屬元素，如Ir、C o、Rh、Fe等，B是V族元素，如P、As、Sb等。方鈷礦(Skutterudite)化合物是立方晶系晶體結(jié)構(gòu)，具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。一個(gè)單位晶胞包含了8個(gè)A島分子，共32個(gè)原子，每個(gè)晶胞內(nèi)還有兩個(gè)較大的籠狀孔隙。氧化物及鈷酸鹽類類熱電材料 氧化物熱電材料具有使用溫度高、不怕氧化、無污染、使用壽命長(zhǎng)、制備方便等優(yōu)點(diǎn)，因此在中溫區(qū)熱電發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用潛力很大。此外，氧化物熱電材料還具有原料資源豐富，制樣

3、時(shí)可在空氣中直接燒結(jié)，無需抽真空，成本費(fèi)用低等方面的優(yōu)勢(shì)，在民用上有重要價(jià)值，因而備受人們的關(guān)注。目前此類熱電材料以過渡金屬氧化物為典型代表，如NaCo2O4,Ca3Co4O9等。NaCo2O4是一種很有前途的熱電材料。 NaCo2O4材料是由N a+和 CdI2： 型 Co2O4： 單元沿著 c軸交疊形成的層狀六角形結(jié)構(gòu)，NaCo2O4中的 CoO2 單元構(gòu)成的扭曲 CoO6八面體結(jié)構(gòu)共享一組邊，形成三角形格子，Na+處于CoO2層之間，呈5 0 無規(guī)則占據(jù)，并處于無序狀態(tài)。NaCo2O4 在 a 、c 兩軸向的電阻值表現(xiàn)為明顯的各向異性。多個(gè)八面體通過棱的重合排列構(gòu)成類鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，由于八面

4、體問的間隙大，可以進(jìn)行某些元素填充，增大聲子的散射，也可以進(jìn)行元素的替代誘發(fā)化學(xué)力導(dǎo)致晶格變形，提高品質(zhì)因子。 圖2 NaCo2O4的晶體結(jié)構(gòu)金屬硅化物型熱電材料 金屬硅化物是指元素周期表中過渡元素與硅形成的化合物，如FeSi2、MnSi2、CrSi2等。由于熔點(diǎn)高，資源豐富，價(jià)格低廉，適合于中高溫區(qū)熱電發(fā)電應(yīng)用。在上述幾類硅化物中，研究較多的是-FeSi2，它具有高抗氧化性、無毒、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，通過摻入不同雜質(zhì)，可制成P型或N型半導(dǎo)體，適合于在200900范圍內(nèi)使用。由于P型FeSi z的無量綱優(yōu)值過低，人們正尋找新的硅化物取代它，一種較有前景的是高錳硅化物HMS，這實(shí)際上是一種由4個(gè)相，

5、即Mn11Sil9、Mn26Si45、Mnl5Si24和Mn27Si47組成的非均勻硅化錳材料。熱電材料的應(yīng)用熱電材料的用途主要有熱電發(fā)電和熱電制冷兩個(gè)方面。熱電發(fā)電是利用S eebeck效應(yīng)，直接將熱能轉(zhuǎn)化為電能。1962年美國(guó)首次將熱電發(fā)電器應(yīng)用于人造衛(wèi)星上，開創(chuàng)了研制長(zhǎng)效遠(yuǎn)距離，無人維護(hù)的熱電發(fā)電站的新紀(jì)元。1977年美國(guó)發(fā)射的旅行者飛船就安裝了1200個(gè)熱電發(fā)生器。圖3 旅行者飛船與熱電發(fā)電相反，熱電制冷利用Peltier效應(yīng)可以制造熱電制冷機(jī)。它具有機(jī)械壓縮制冷機(jī)所沒有的一些優(yōu)點(diǎn)：尺寸小、質(zhì)量輕、無任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，工作無噪聲，無液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)，因而不存在污染環(huán)境問題，可實(shí)現(xiàn)精確控溫，響應(yīng)速度快，器件使用壽命長(zhǎng)。因此熱電制冷已用于很多領(lǐng)域。除冰箱、空調(diào)、飲水機(jī)等家用電器外，熱電制冷更重要的應(yīng)用是信息技術(shù)領(lǐng)域，如紅外探測(cè)器、激光器、計(jì)算機(jī)芯片等。例如，俄羅斯米格戰(zhàn)斗機(jī)配備的AA-8和AA-11系列導(dǎo)彈就采用熱電制冷對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行溫控。熱電制冷也已用于醫(yī)學(xué)，如半導(dǎo)體制冷運(yùn)血