热电材料
热电材料的分类
热电材料的分类热电材料是一类特殊的材料，具有独特的热电效应，即温差效应和塞贝克效应。
根据材料的热电性能和特点，可以将热电材料分为以下几类：1. 金属热电材料：金属热电材料是最早被发现和应用的热电材料之一。
金属通常具有良好的导电性和热导性，在一定温差下能产生较大的热电效应。
常见的金属热电材料有铜、铁、铅等。
金属热电材料的热电性能主要通过调控材料的电子结构和掺杂等方式进行改善。
2. 半导体热电材料：相比金属热电材料，半导体热电材料具有更高的热电效应和更广泛的应用前景。
半导体材料的热电效应主要由电子和晶格之间的相互作用所决定。
常见的半导体热电材料有硒化铋、硒化铋锗、硫化锡等。
通过控制半导体材料的载流子浓度、能带结构和晶格热导率等方面的性质，可以进一步提高材料的热电性能。
3. 有机热电材料：有机热电材料是近年来快速发展的一类新型热电材料。
与传统的金属和半导体材料相比，有机热电材料具有可塑性、可加工性和成本低廉等优势。
常见的有机热电材料有聚苯胺、聚噻吩等。
尽管有机热电材料的热电性能相对较低，但通过控制材料的分子结构和相互作用等方式，仍然可以提高其热电性能。
4. 纳米热电材料：纳米热电材料是近年来兴起的一种新型热电材料。
由于纳米材料具有较高的比表面积和尺寸效应，能够显著增强材料的热电性能。
常见的纳米热电材料有氧化物纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜等。
通过控制纳米材料的形貌、尺寸和结构等方面的特征，可以进一步提高材料的热电性能。
5. 复合热电材料：复合热电材料是指由两种或多种不同类型的热电材料组成的复合体系。
通过合理设计和组合不同的热电材料，可以充分利用各材料的热电性能，实现热电性能的协同增强。
常见的复合热电材料有热电聚合物复合材料、金属-半导体复合材料等。
复合热电材料的热电性能可以通过控制材料的比例、界面特性和相互作用等方面进行调控。
热电材料的分类主要根据材料的性质和热电性能进行区分。
金属热电材料具有良好的导电性和热导性；半导体热电材料具有较高的热电效应；有机热电材料具有可塑性和可加工性等优势；纳米热电材料具有尺寸效应和较高的比表面积；复合热电材料可以实现热电性能的协同增强。
热电材料的性质及应用
热电材料的性质及应用热电材料是一种能够将热能转化为电能，或者将电能转化为热能的材料。
这种材料具有非常重要的应用价值，可以在能源领域、电子技术领域、传感器领域等多个领域发挥作用。
本文将从热电材料的性质和应用两个方面进行介绍。
1. 热电材料的性质热电材料的热电效应可以分成两种类型：Seebeck效应和Peltier效应。
Seebeck效应是指在温度差的作用下，导体中的电子向低温区域不断扩散，从而形成了一种“热电势差”。
此时如果连接一个电阻，就可以利用热电效应来实现热电能的转化。
比较常见的热电材料有铜、铁、金、铂等。
在具体应用的过程中，需要根据具体的需求来选择材料。
Peltier效应则是指在电流的作用下，热电材料中的电子会不断地吸收和释放热能，从而形成热冷颠倒现象。
在实际应用中，可以将Peltier效应用于温度控制领域，在低温环境制冷，高温环境制热。
除了上述两种效应之外，热电材料还需要具备一些特殊的属性，比如较高的热电系数、较低的电性能量、充分的电子迁移性、良好的热传导性等等。
这些特殊的属性都是热电材料能够实现热电转换的重要基础。
2. 热电材料的应用由于热电材料的高效率转换，以及对环境友好的特点，热电材料可以应用于各种领域，包括能源、电子技术、传感器、航空航天领域等等。
在能源领域，热电技术可以将废热转化为电能，并为各种便携式设备提供能源支持，比如远程探测器，智能手表，以及GPS 导航仪等。
在电子技术领域，热电设备可以应用于半导体材料的温度控制，在芯片制造等领域起到了非常重要的作用。
同时，还可以利用热电设备来实现能量的回收，提高设备工作效率。
在传感器领域，热电技术可以应用于气体传感器、温度计、湿度计等等，还可以用于热成像等技术。
在航空航天领域，则可以利用热电材料来制造能够适应极端环境下电源的装置，比如航空器的火星探测车。
由于热电设备具有基本无噪音、无污染等特点，适用于太空环境和其他特定环境下的应用。
总之，热电材料是一种非常重要的材料，具有广泛的应用前景。
热电材料分类
热电材料分类热电材料是一种能够实现热能和电能相互转换的材料，广泛应用于能源转换、温度控制、热电制冷等领域。
根据不同的分类方式，热电材料可以分为以下几类：一、按材料体系分类1.金属热电材料：这类材料以金属为主，具有较高的热电势和较低的热导率。
常见的金属热电材料包括铜、镍、铬、铁、钴等。
2.半导体热电材料：这类材料以半导体为主，其热电势和热导率都较高。
常见的半导体热电材料包括硅、锗、砷化镓、碳化硅等。
3.陶瓷热电材料：这类材料以陶瓷为主，其热电势较低但热导率较高。
常见的陶瓷热电材料包括钛酸钡、锆钛酸铅等。
4.复合热电材料：这类材料由金属、半导体和陶瓷等多种材料组成，具有优异的热电性能。
常见的复合热电材料包括氧化锌掺杂铅铋合金、碳化硅基复合材料等。
二、按应用领域分类1.能源转换领域：这类材料主要用于将热能转换为电能，常用于热电发电和太阳能发电等领域。
常见的能源转换用热电材料包括铋掺杂的铅基合金、硅锗合金等。
2.温度控制领域：这类材料主要用于精确控制物体的温度，常用于电子器件的温度控制和微型制冷等领域。
常见的温度控制用热电材料包括钛酸钡、锆钛酸铅等。
3.热电制冷领域：这类材料主要用于制冷和温度控制，常用于微型制冷器、温差发电和红外探测器等领域。
常见的热电制冷用热电材料包括铅铋合金、铜基合金等。
4.其他领域：除了以上三个领域，热电材料还可以应用于其他领域，如热电偶、温度传感器等。
三、按制备方法分类1.机械合金法：通过机械合金化的方法制备出具有优异热电性能的合金材料。
该方法具有制备工艺简单、成本低等优点，但易引入杂质元素影响材料的性能。
2.真空熔炼法：通过在真空环境中将原料加热至熔点以上并缓慢冷却的方法制备出纯净的热电材料。
该方法可有效去除杂质元素的影响，提高材料的性能，但制备工艺复杂、成本较高。
3.化学气相沉积法：通过化学反应的方式在基底上生长出具有优异性能的热电材料。
该方法可实现大面积制备，同时可精确控制材料的成分和结构，但工艺复杂且成本较高。
热电材料
宇宙探测卫星的电源。利 用原子炉的热能发电
热电转换材料的研究现状
• 公认的热电材料有Bi2Te3，PbTe，SiGe等。这些 材料具有的ZT=1，变换效率超过10%的高性能。 但是有耐热，耐氧化性差，原料储藏少，对环境 有污染等问题。 • 热电材料要求导电率σ和Seebeck系数S要大，热 传导率要小。固体中输送电荷的电子同时输送热。 因为热电率对应单位载流子输送的熵，载流子密 度的增大可以使σ变大，但是S变小。也就是说， 决定热电性能三个物性保持互相约束的状态。 • 2007年Ohta（太田 ，名古屋大学）成功的合成 了SrTiO3化合物的人工超格子的2维电子气 （2DEG），得到了高性能的热电材料（ZT=2.4）
• 热电偶材料：热电偶种类很多，已研制的组合 热电偶材料近300种，已经标准化的15种，工 业上广泛应用的8种，有相应标推代号。
• 常用的热电偶的类别
热电偶类别 铂铑30－铂铑6 铂铑10－铂 镍铬－镍硅 镍铬－康铜 铂铑13-铂 代号 WRR WRP WRN WRE WRB 分度号 B S K E R 测温范围 0－1800℃ 0－1600℃ 0－1300℃ 0－800℃ 0-1600℃ 允许偏差限 ±0.25%t ±0.25%t ±0.75%t ±0.75%t ±0.25%t
• （2）温差电热效应 • 在热电回路中，与两接点间的温度差而引起的塞 贝克电动势相反，通电时，在回路中会引起两种 热效应，帕尔贴和汤姆逊热效应。前者出现在不 同的两个电极的接头处；后者一种导体的的两端 上。
帕尔贴效应
塞贝克，帕尔帖和汤姆逊称为热电三效应
汤姆逊效应
• 珀尔帖热效应
• 当直流电通过由两种不同导电材料所构成的回路时，接点 上将产生吸放热现象改变电流方向，吸放热也随之反向该 效应称之为珀尔帖效应。
热电材料的性质与应用前景
热电材料的性质与应用前景热电材料是一种将热能转化为电能，或者反过来将电能转化为热能的材料。
这种材料的独特性能使其在能源转换、节能等诸多领域发挥着重要的作用。
本文将从热电材料的定义、性质和应用前景三个方面来阐述其重要性。
热电材料的定义热电材料是能够直接将热能转化成电能，或者将电能直接转化成热能的材料。
热电材料的本质是利用材料的热电效应，通过将热梯度与电子传输结合来实现热能转换。
热电材料按照热电效应的类型可分为两种，一种是塞贝克效应，另一种是泊松效应。
热电材料的性质热电材料具有很多优良的性质：1.高效性：热电材料可以高效转换热能和电能之间的相互转换，这种效率比常规的能源转换方式要高得多。
2. 稳定性：热电材料在长时间的使用中，其性质不会随着时间的推移而发生明显的变化或退化。
3. 可靠性：热电材料在极端的温度和压力下仍能保持较高的可靠性，这些特性使其在航空航天等领域有着广泛的应用。
4. 环保性：热电材料的制备与使用过程中无需消耗过多的化石能源和产生较多污染，因此更为环保。
热电材料的应用前景热电材料在热电发电、节能、冷却、光伏等多个领域都有着广泛的应用前景。
1. 热电发电热电发电技术是一种将废热转变为有用的电能的技术。
它可以大幅度提高能源效率，实现废热的资源化，减少环境污染。
目前，热电发电技术已经逐渐得到了广泛的应用，例如汽车发动机、空调和制冷设备等。
2. 节能利用热电材料制造的热电模块可以将废热转化为电能，从而提高机械设备等能源利用效率，进一步达到节约能源和减少环境污染的目的。
3. 冷却利用热电材料的热电效应，可以实现冷却效果，在热电冷却设备的应用中，热电材料可以将高温的环境抽取的热量通过热电冷却器转化为冷热，从而使温度得到有效的降低。
4. 光伏利用热电材料可以制造太阳能电池板，这种电池板可以将太阳能转化为电能，从而实现低成本的太阳能电池发电，大规模应用在城市的建筑、工业等领域。
结语热电材料是一种能够将热能和电能相互转换的材料，具有高效性、稳定性、可靠性和环保性等优良特性。
热电材料主要材料体系
热电材料主要材料体系热电材料主要材料体系一、介绍热电材料是一种能够将温度差异转化为电能的特殊材料。
它们广泛应用于能量转换、节能和环境保护等领域。
热电材料的性能主要取决于其材料体系。
本文将就热电材料主要材料体系进行全面评估和探讨，并分享个人观点和理解。
二、无机材料体系1. 碲化物体系碲化物体系作为热电材料的主要组成部分，具有良好的热电性能和稳定性。
它包括了复杂硫化碲和锗、碲化钡和碲化钡铍等。
这些材料具有较高的热导率和适度的电导率，因此在高温环境下表现出良好的热电性能。
2. 碲化铅体系碲化铅体系是另一种重要的无机材料体系。
碲化铅及其衍生物在高温下具有良好的热电性能和稳定性。
与碲化物体系相比，碲化铅体系具有更低的热导率和更高的电导率，因此在中高温环境下具有更好的热电性能。
三、有机材料体系1. 有机-无机杂化体系有机-无机杂化体系是近年来发展起来的一种新型热电材料体系。
它通过将有机聚合物和无机材料相结合，实现了良好的热电性能和柔韧性。
这种体系具有较低的热导率和适度的电导率，适用于低温和柔性电子设备。
2. 有机金属配合物体系有机金属配合物体系是另一种重要的有机材料体系。
这些材料由有机配体和金属离子组成，具有良好的电导率和热导率。
有机金属配合物体系在低温和高温环境中都表现出良好的热电性能，因此在广泛应用于能量转换和热电设备中。
四、总结与回顾热电材料的主要材料体系包括无机材料体系和有机材料体系。
无机材料体系包括碲化物体系和碲化铅体系，具有较高的热导率和适度的电导率。
有机材料体系包括有机-无机杂化体系和有机金属配合物体系，具有较低的热导率和良好的电导率。
这些材料体系在不同温度范围内表现出不同的热电性能，可以满足不同应用需求。
个人观点和理解：对于热电材料主要材料体系的研究，我认为在材料的选择和设计上有许多挑战和潜力。
随着科技的不断进步，我们将能够发现更多的材料体系，并改进其热电性能。
通过对材料的深入理解，我们也可以根据不同的应用需求进行精确的设计和合成，实现更高效、稳定和可持续的热电材料。
热电材料
国外前沿热电材料研究现状
日本国家功能材料研究中心（SMRC）以 MasanobuMarlo博士为首的科研人员正在研究利用 汽车尾气作为热源的TEG技术。 英国威尔士大学和日本大阪大学于1991年联合研 究了大规模利用钢铁厂和垃圾焚烧厂的废弃余热 产生兆瓦级输出电功率的项目。 德国Dresden科技大学以Wemirl Qu为首的研究工作 者发明了一种利用铜箔作为介质的微型热电发电 机，能够循环使用将周围环境的热量转化为电能。
热电材料
一.基本概念 二.材料分类 三.研究现状 四.现实意义 五.前景展望
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基本概念
什么是热电材料？ 热电材料又叫温差电材料，具有交叉耦 合的热电输送性质;是一类具有热效应和电 效应相互转换作用的新型功能材料，利用 热电材料这种性质，可将热能与电能进行 直接相互转化，1823年发现的塞贝克效应和 1834年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器 和热电制冷的应用提供了理论依据。
好的热电材料必须具有大的塞贝克系 数，从而保证有较明显的热电效应；同时 应有较小的热导率，使能量保持在接头附 近，此外还要求电阻较小，使产生的焦耳 热最小。对这几个性质的要求，可由热电 优值Z描述。其定义为 Z=（α＾2*σ ）/k 式中， α和σ 分别为塞贝克系数和电导 率；k为热导率。通常热电优值作为评价热 电导率的标准。
前景展望
热电材料塞贝克效应和帕尔帖效应发现 距今已有100余年的历史，无数的科学家已对 其进行了深入而富有成效的研究和探索，取得 了辉煌的成果。随着研究的不断深入，相信热 电材料的性能将会进一步提高，必将成为我国 新材料研究领域的一个新的热点。在今后的热 电材料研究工作中，研究重点应集中在以下几 个方面： （1）利用传统半导体能带理论和现代量子理论， 对具有不同晶体结构的材料进行塞贝克系数、 电导率和热导率的计算，以求在更大范围内寻 找热电优值ZT更高的新型热电材料。
热电材料
1.热电材料的定义
在两种金属A和B组成的回路中，如果使 两个接触点的温度不同，则在回路中将出 现电流，称为热电流。 塞贝克效应的实质在于两种金属接 触时会产生接触电势差，该电势差取决于 金属的电子逸出功和有效电子密度这两个 基本因素。
2.生活中的热电材料
热电制冷
2.生活中的热电材料
热电发电
严重, 热电材料作为一种新型能量转换材 料倍受人们的关注、重视。
我国在热电材料的研究上相对落后,
国内 这方面的研究主要集中在几个大学: 清华 大学、浙江大学、武汉工业大学、厦门大 学等, 而且主要集中是在理论研究上
5.热电材料的前景展望
我国是一个能耗大国, 随着经济的发展, 我国对能源的需 求会更大。然而, 目前热电材料的优值普遍还比较低, 并 且制备的成本较高, 这极大地制约了它的发展, 如果能把 材料的热电优值提高到3 左右, 那它将可以与传统的发 电与制冷方式相媲美。
2.生活中的热电材料
3.热电材料的介绍
3.热电材料的介绍
3.热电材料的介绍
3.热电材料的介绍
3.热电材料的介绍
3.热电材料的介绍
3.热电材料的介绍
3.热电材料的介绍
4.热电材料的优点
4.热电材料的优点
4.热电材料的优点
5.热电材料的前景展望
随着能源的速发展给热电材料的研究和制备注 入了新的活力, 纳米材料的量子效应以及对声子的散射 效应有望大幅度提高材料的热电性能, 使其热电优值提 高到3 变成可能。因此, 研究高优值的热电材料将对我 国的发展带来深远的影响。
谢谢大家！
1.热电材料的定义
当两种不同的导体A和B组成的电路且通 有直流电时，在接头处除焦耳热以外还会 释放出某种其它的热量，而另一个接头处 则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这种 现象是可逆的，改变电流方向时，放热和 吸热的接头也随之改变，吸收和放出的热 量与电流强度I/A成正比，且与两种导体的 性质及热端的温度有关，即： Qab=Iπab
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带在手上的发电机
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描述热电性能的参数
• 1911 年, 德国的阿持克希提出了一个令人 满意的温差热电制冷和发电的理论, 并提出 了热电优值公式: Z＝S2σ/k 式中: S———材料的塞贝克系数 σ———电导率 k———热导率
• 无论用于发电还是制冷, 热电材料的Z 值越 高越好。从前面的公式可知, 材料要得到高 的Z 值, 应具有高的。Seebeck 系数、高的 电导率和低的热导率, 所以好的热电材料必 须要像晶体那样导电, 同时又像玻璃那样导 热，但在常规材料中是有困难的,因为三者 耦合,都是自由电子(包括空穴)密度的函数, 材料的Seebeck 系数随载流子数量的增大 而减小, 电导率和导热系数则随载流子数量 的增大而增大。
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当两种不同的导体A和B组成的电路且 通有直流电时，在接头处除焦耳热以外还 会释放出某种其它的热量，而另一个接头 处则吸收热量，且帕尔帖效应所引起的这 种现象是可逆的，改变电流方向时，放热 和吸热的接头也随之改变，吸收和放出的 热量与电流强度I/A成正比，且与两种导体 的性质及热端的温度有关，即： Qab=Iπab
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依其运作温度分为三类
• 碲化铋及其合金：这是目前被广为使用于 热电致冷器的材料，其最佳运作温度 <450℃。 • 碲化铅及其合金：这是目前被广为使用于 热电产生器的材料，其最佳运作温度大约 为1000℃。 • 硅锗合金：此类材料亦常应用于热电产生 器,其最佳运作温度大约为1300℃。
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• 体积小 重量轻，坚固,且工作中无噪音 体积小,重量轻，坚固 且工作中无噪音 重量轻 • 温度控制可在±0.1℃之内 温度控制可在± ℃ • 不必使用 不必使用CFC(CFC氯氟碳类物质，氟里昂。 氯氟碳类物质，氟里昂。 氯氟碳类物质 被认为会破坏臭气层)， 被认为会破坏臭气层 ，不会造成任何环境 污染 • 可回收热源并转变成电能 节约能源)，使用 可回收热源并转变成电能(节约能源 ， 节约能源 寿命长， 寿命长，易于控制
• 目前提高热电材料热电性能的主要方法有以 下几种: ( 1) 通过低维化改善热电材料的输运性能, 如 将该材料做成量子阱超晶格、在微孔中平行 生长量子线、量子点等 ( 2) 通过掺杂修饰材料的能带结构,使材料的 带隙和费米能级附近的状态密度增大 ( 3) 通过梯度化扩大热电材料的使用温区,提 高热电输出功率
测 温 热 电 偶
热电制冷
本图显示的是直接将热能转化 成电能的实验设备。这种设备 在实际应用中可以将任何高温 损耗热量转化为有用的电能。 图片左侧的是一个热电极，它 像任何发热金属一样，该热电 极表面覆盖着电镀层，如果它 接触到冰冻的物体表面，便会 产生电能。然而在一般情况下， 在高温热电极下却很少产生电 流。热电转换材料是一种可以 将热能和电能相互转换的材料。 目前常用的热电转换材料多以 重金属铋、锑和铅等为原料， 这些原料不仅在自然界含量少、 熔点低，而且还有剧毒，这在 很大程度上影响了真正的实用 化。
前景和展望
• 随着能源的日益紧张以及环境污染的日趋 严重, 热电材料作为一种新型能量转换材料 倍受人们的关注、重视。 • 我国在热电材料的研究上相对落后, 国内这 方面的研究主要集中在几个大学: 清华大学、 浙江大学、武汉工业大学、厦门大学等, 而 且主要集中是在理论研究上
• 我国是一个能耗大国, 随着经济的发展, 我国对能 源的需求会更大。然而, 目前热电材料的优值普遍 还比较低, 并且制备的成本较高, 这极大地制约了 它的发展, 如果能把材料的热电优值提高到3 左右, 那它将可以与传统的发电与制冷方式相媲美。 • 近年来纳米技术的迅速发展给热电材料的研究和 制备注入了新的活力, 纳米材料的量子效应以及对 声子的散射效应有望大幅度提高材料的热电性能, 使其热电优值提高到3 变成可能。因此, 研究高优 值的热电材料将对我国的发展带来深远的影响。
航 器 提 供 电 能 。 美 国 军 方
被 用 于 替 代 太 阳 能 电 池 和 航 空 测 探 为 中 测 探 宙 宇 深 层
在
军 工 方 面 的 应 用
技 术
285W (RTG) 的 碲 化 铅 (PbTe) 热 电
(NASA) 较 早
,TEG
2
温差发电机
早在20 世纪80 年代初, 美国就完成了500～ 1000Ｗ军用温差发电 机的研制, 并于80 年 代末正式列入部队装 备, 放在深海中为美国 导弹定位系统网络的 组成部分———无线 电信号转发系统供电。
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在两种金属A和B组成的回路中，如果 使两个接触点的温度不同，则在回路中将 出现电流，称为热电流。 塞贝克效应的实质在于两种金属接触时 会产生接触电势差，该电势差取决于金属 的电子逸出功和有效电子密度这两个基本 因素。
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热电材料的三个效应
• Seeback效应 两种不同金属接触时会产生接触电位差，形成回 路时，两个接头的温度不同，是因为两个接头的 接触电位不同。 • Peltier效应 两个金属通过两个接点连成回路，并通以电流， 会使得一头发冷一头发热。 • Thomson效应 基于前两个效应，还必须考虑单根金属线由于其 两端温度差而产生的电动势。
热电材料
• • • • • • •
定义 分类 特点 应用 提高热电效应的方法 主要研究方法和手段 前景
什么是热电材料
• 热电材料又叫温差电材料, 具有交叉耦合的 热电输送性质; 是一类具有热效应和电效应 相互转换作用的新型功能材料, 利用热电材 料这种性质, 可将热能与电能进行直接相互 转化， 年发现的塞贝克效应 塞贝克效应和 转化，1823年发现的塞贝克效应和1834年 发现的帕尔帖效应 帕尔帖效应为热电能量转换器和热 发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和热 电制冷的应用提供了理论依据。 电制冷的应用提供了理论依据。
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热电材料的应用 热电器件方面 研究较多的是 热电发电机 ( TEG) 和温差 制冷机。
发 电 机
台 伽 利 略 号 探 测 器 上 就 装
等 空 间 任 锋 务 中 、 。 比 较 典 载 型 了 是 的 行 者 旅 、 者 拓 开 者 先 、 罗
体 热 电 堆 发 电 技 术 应 用 于 阿 波 导 半 将 地 局 天
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主要研究方法和手段
目前制备半导体热电材料的方法日趋成熟, 主要包括: 熔体生长法、粉末冶金法、气相生长法( 包 括物理气相沉积、化学气相沉积、分子束 外延法等) 、化学法、电化学法、水热合成 法、机械合金化法( MA 法) 、热压法、放 电等离子烧结法等
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国外前沿热电材料研究
• 日本国家功能材料研究中心(SMRC) 以 MasanobuMarlo 博士为首的科研人员正在研究91 年联合研 究了大规模利用钢铁厂和垃圾焚烧厂的废弃余热 产生兆瓦级输出电功率的项目。 • 德国Dresden 科技大学以Wemirl Qu 为首的研究 工作者发明了一种利用铜箔作为介质的微型热电 发电机,能够循环使用将周围环境的热量转化为出 能。