热电材料的研究进展
国外snte基热电材料研究现状
国外snte基热电材料研究现状热电材料是一种具有特殊性质的材料，可以将热能转化为电能或者将电能转化为热能。
热电材料的研究旨在开发高效的能量转换技术，以解决能源转换和节能减排的问题。
在国外，尤其是美国、欧洲和日本等发达国家，热电材料研究得到了广泛关注和重视。
下面将介绍国外热电材料研究的现状。
首先，国外的热电材料研究主要集中在工程应用和基础科学研究两个方面。
在工程应用方面，国外科学家致力于开发和改进热电材料的制备和加工技术，以提高材料的性能和可靠性。
例如，美国的热电材料的研究重点是提高材料的热电效率和减少材料的成本，他们采用了多种方法来改善材料的导电性和热电性能，如改变材料的晶体结构、掺杂材料、纳米加工等。
同时，他们还关注热电材料在能源转换和储存中的应用，如热电发电、热恢复、热泵等。
在基础科学研究方面，国外的热电材料研究专注于理解热电效应的机理和材料的结构与性能之间的关系。
他们通过理论模拟、实验测试和材料表征等方法，深入研究热电材料的微观结构、晶格热传导、载流子输运等关键问题。
例如，德国的热电材料研究主要集中在新型材料的发现和探索，他们通过高通量计算和高通量实验等手段，筛选和设计出具有优异热电性能的材料。
同时，他们还研究热电材料的界面特性和界面调控方法，以提高材料的热电性能和稳定性。
此外，国外的热电材料研究还涉及到多学科的交叉合作。
热电材料的研究需要借助物理学、材料科学、化学、工程学等多个学科的知识和技术，以解决新材料的合成与制备、性能表征与优化等难题。
国外的研究团队常常由不同学科的科学家和工程师组成，共同攻克热电材料领域的科学难题。
总之，国外的热电材料研究现状表明，热电材料领域取得了显著的进展和突破，不仅在工程应用方面有很多新的发现和应用，还在基础科学研究方面取得了深入的理解和掌握。
国外的研究主要集中在新型材料的开发和探索、热电效应的机理研究以及材料制备和加工技术改进等方面。
在未来，随着能源需求的增加和环境问题的日益严重，热电材料的研究将继续受到重视，并取得更大的突破。
高温热电材料的制备与性能研究
高温热电材料的制备与性能研究热电材料是一种特殊的功能材料，可以实现热能转化为电能或者电能转化为热能。
随着现代科技的发展，对高效能源利用的需求不断增加，高温热电材料的研究变得尤为重要。
本文将探讨高温热电材料的制备方法和性能研究进展。
一、高温热电材料的制备方法目前，制备高温热电材料的方法主要包括传统固相反应法、高温固相烧结法、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法和物理热蒸发法等。
传统固相反应法是最基础也是最常用的一种制备方法，通过混合适量的反应物并在高温下进行反应，制得热电材料。
这种方法制备的材料质量较高，但工艺复杂，需要高温环境，生产成本较高。
高温固相烧结法是在传统固相反应法的基础上发展的一种制备方法，通过一系列的高温烧结处理得到热电材料。
烧结过程中，材料微观结构发生改变，晶粒尺寸增大，形成多孔结构，提高了材料的电导率和热导率。
溶胶-凝胶法是通过溶胶的形成和凝胶化反应制备材料，具有低温制备、陶瓷纤维和薄膜材料制备的优势。
但这种方法的难点在于控制凝胶化和烧结过程，以防止材料结构变化和晶粒长大。
化学气相沉积法是利用气相反应将粉末沉积在衬底上形成薄膜，具有制备薄膜材料的优势。
针对高温热电材料，这种方法可以实现薄膜的高温稳定性和热电性能的优化。
物理热蒸发法是将材料蒸发并沉积到衬底上形成薄膜，也是制备高温热电材料薄膜的一种方法。
这种方法具有较高的控制性，可以得到厚度均匀的薄膜。
二、高温热电材料的性能研究进展高温热电材料的性能研究主要包括电导率、热导率、热电力和功率因子等方面。
电导率是衡量材料导电性能的指标，高温热电材料要求具有较高的电导率。
研究人员通过控制材料的晶格结构、微观组分和掺杂等手段，改善材料的导电性能。
热导率是衡量材料导热性能的指标，高温热电材料需要具有较低的热导率。
通过减小材料的晶粒尺寸、掺杂或者调整材料的晶格结构，可以有效地降低材料的热导率。
热电力是衡量材料将热能转化为电能的能力，高温热电材料需要具有较高的热电力。
热电材料的研究与发展趋势
热电材料的研究与发展趋势热电材料是一种能够将热能转化为电能，或者逆过程，将电能转化为热能的材料。
热电效应是指当一块材料的两端有温度差时，由于电子在材料内部的迁移和散射，会产生电势差，从而产生电流。
热电材料的研究与发展在能源转换领域具有重要的意义，可以应用于热电发电、制冷与散热等方面。
热电材料的研究起源于19世纪初，当时科学家们发现某些材料在温度差下会产生电流。
然而，由于热电转换效率较低以及制造成本较高，热电技术在当时并没有得到广泛应用。
但是随着能源危机的加剧以及对环境保护的追求，热电技术逐渐受到重视，热电材料的研究也日益深入。
目前，热电材料的研究与发展主要集中在以下几个方面。
首先是热电材料的性能优化。
热电转换效率是评价一个热电材料性能的重要指标，科学家们致力于开发新型的热电材料，提高其热电转换效率。
例如，通过合金化、纳米材料和多级结构设计等手段，可以增加材料的电子迁移率和降低热导率，从而提高热电性能。
其次，热电材料的稳定性与可靠性也是研究的重点之一。
在实际应用中，热电材料需要能够长期稳定工作，并且能够适应不同温度和环境条件。
因此，科学家们研究如何提高热电材料的稳定性和耐用性，以确保其可靠性。
此外，热电材料的制备和加工技术也在不断创新。
传统的热电材料制备主要依靠传统陶瓷工艺，制造成本较高且工艺复杂。
现在，科学家们提出了许多新的热电材料合成方法，如溶胶-凝胶法、熔体法和化学沉积法等，这些方法可以有效地降低成本并提高材料的性能。
最后，研究人员还在努力开发可持续发展的热电材料。
随着全球能源危机的加剧，人们对可再生能源的需求越来越高。
因此，科学家们探索如何利用太阳能、废热等可再生能源，开发可持续发展的热电材料，以实现更高效、更环保的能源转换。
总之，热电材料的研究与发展趋势主要包括性能优化、稳定性与可靠性、制备技术创新以及可持续发展等方面。
随着科技的不断进步，我们相信热电技术将会得到更加广泛的应用，为解决能源问题和推动可持续发展做出更大的贡献。
新型热电材料的研究进展
新型热电材料的研究进展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。
随着科技的不断发展，人们对热电材料的研究也日益深入。
新型热电材料的研究进展，为我们带来了许多新的发现和应用。
本文将介绍新型热电材料的研究进展，包括其特点、应用领域以及未来发展方向。
一、新型热电材料的特点新型热电材料相较于传统材料具有许多优势。
首先，新型热电材料具有更高的热电转换效率，能够更有效地将热能转化为电能或者将电能转化为热能。
其次，新型热电材料具有更好的稳定性和耐高温性能，能够在极端环境下工作。
此外，新型热电材料还具有更好的环保性能，对环境的影响更小。
总的来说，新型热电材料在性能上有了很大的提升，为其在各个领域的应用奠定了基础。
二、新型热电材料的应用领域新型热电材料的应用领域非常广泛。
首先，在能源领域，新型热电材料可以用于开发新型的热电发电设备，提高能源利用效率。
其次，在航天航空领域，新型热电材料可以用于制造航天器和飞机的动力系统，提高其性能和稳定性。
此外，在电子产品领域，新型热电材料可以用于制造高效节能的电子产品，推动电子产品的发展。
总的来说，新型热电材料在各个领域都有着重要的应用前景，将为人类社会的发展带来巨大的推动力。
三、新型热电材料的未来发展方向未来，新型热电材料的研究方向主要集中在提高其性能和降低成本。
首先，研究人员将继续探索新型热电材料的结构和性能，寻找更高效的热电转换材料。
其次，研究人员将致力于降低新型热电材料的制备成本，推动其在工业生产中的应用。
此外，研究人员还将探索新型热电材料与其他材料的复合应用，进一步提高其性能和稳定性。
总的来说，新型热电材料的未来发展方向将更加多样化和前瞻性，为其在各个领域的应用带来更多可能性。
综上所述，新型热电材料的研究进展为我们带来了许多新的发现和应用，其在能源、航天航空、电子产品等领域都有着重要的应用前景。
未来，随着研究的不断深入，新型热电材料的性能将得到进一步提升，应用领域也将更加广泛。
电热材料和热电材料的研究现状与发展
专业：金属材料工程学号：1040602209姓名：郝小虎电热材料和热电材料的研究现状与发展一热电材料的研究现状与发展１传统热电材料的研究现状从实用的角度来看，只有那些无量纲优值接近１的材料才被视为热电材料。
目前已被广泛应用的主要有３种：适用于普冷温区制冷的ＢｉｚＴｅａ类材料，适用于中温区温差发电的ＰｂＴｅ类材料，适用于高温区温差发电的ＳｉＧｅ合金。
1.1Ｂｉ－Ｔｅ系列ＢｉＺＴｅａ化学稳定性较好，是目前ＺＴ值最高的半导体热电体材料。
一般而言，Ｐｂ，Ｃｄ，Ｓｎ等杂质的掺杂可形成Ｐ型材料，而过剩的Ｔｅ或掺人Ｉ，Ｂｒ，Ａｌ，Ｓｅ，Ｌｉ等元素以及卤化物掩Ｉ，ＣｕＩ，ＣｕＢｒ，ＢｉＩ３，ＳｂＩ３则使材料成为ｎ型。
在室温下，Ｐ型ＢｉｚＴｅａ晶体的Ｓｅｅｂｅｃｋ系数。
最大值约为２６０ｐＶ／Ｋ，ｎ型ＢｉｔＴｅａ晶体的ａ值随电导率的增加而降低，并达到极小值－２７０ｔ，Ｖ／Ｋ１６１，Ｂｉ２Ｔｅ。
材料具有多能谷结构，通常情况下，其能带形状随温度变化很小，但当载流子浓度很高时，等能面的形状将随载流子的浓度而发生变化。
室温下它的禁带宽度为0.13ｅＶ，并随温度的升高而减少。
1.2Ｐ１ｒＴｅ系列ＰｂＴｅ的化学键属于金属键类型，具有ＮａＣｌ型晶体结构，属面心立方点阵，其熔点较高（１０９５Ｋ），禁带宽度较大（约０．３ｅＶ），是化学稳定性较好的大分子量化合物。
通常被用作３００－９００Ｋ范围内的温差发电材料，其Ｓｅｅｂｅｃｋ系数的最大值处于６００－８００Ｋ范围内。
ＰｂＴｅ材料的热电优值的极大值随掺杂浓度的增高向高温区偏移。
ＰｂＴｅ的固溶体合金，如ＰｂＴｅ和ＰｂＳｅ形成的固溶体合金使热电性能有很大提高，这可能是由于合金中的晶格存在短程无序，增加了短波声子的散射，使晶格热导率明显下降，故使其低温区的优值增加。
但在高温区，其ＺＴ值没有得到很好的提高，这是由于形成ＰｂＴｅ－ＰｂＳｅ合金后，材料的禁带明显变窄，导致少数载流子的影响增加，结果没能引起高温区ＺＴ值的提高［７１。
热电材料的研究现状及发展趋势.doc
热电材料的研究现状及发展趋势摘要热电材料能够直接将电能和热能进行互相转化。
由它制成的温差发电器不需要使用任何传动部件，工作时无噪音、无排弃物；和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，是一种性能优越，具有广泛应用前景的环境友好型材料。
本文系统阐述了传统热电材料和新型热电材料的研究现状，介绍了各系列热电材料的热电性能及适用范围等，指明了英今后的发展方向。
关键词热电材料，温差发电，温差发电机，Seebeck系数，掺杂1引言在以原油价格暴涨为标志的“能源危机”之后，世界上又相继出现以臭氧层破坏和温室气体效应为首的“地球危机”和“全球变暖危机”。
各国科学家都在致力于寻求高效、无污染的新的能量转化利用方式，以达到合理有效利用工农业余热及废热、汽车废气、地热、太阳能以及海洋温差等能量的目的［1〜3］。
于是,从上个世纪九十年代以来，能源转换材料（热电材料）的研究成为材料科学的一个研究热点。
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［4〜6］。
用不同组成的N型和P型半导体，通过电气连接可组成温差发电器件和半导体制冷装置。
与传统发电机和制冷设备相比，半导体温差发电器和制冷器具有结构简单、不需要使用传动部件、工作时无噪音、无排弃物，和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠，使用寿命长, 是一种具有广泛应用前景的环境友好材料[7〜10] o2热电材料的理论基础19世纪德国科学家Thomas Seebeck观察到，当两种不同的金属构成一闭合回路，若在两接合点存在有温度差时，则回路中将产生电流，此种效应被命名为Sccbeck Effect,这也成为了温差发电技术的基础。
2. 1热电材料的三个效应热电材料的研究是一个古老的话题，早在1822-1823年，塞贝克(Seebeck)就曾在《普鲁士科学院报》屮描述了一个当时他这样断定的现象：在彼此接合的不同导体中，由于温度差的影响，就会出现自由磁子。
热电材料的研究与应用前景探讨
热电材料的研究与应用前景探讨热电效应可以将热能转化为电能，或将电能转化为热能，因此具有重要的应用前景。
热电材料作为热电转换的核心材料，其性能的提高对于热电技术的发展至关重要。
本文将探讨热电材料的研究现状和未来应用前景。
一、热电材料的研究现状热电材料的研究主要集中在提高材料的热电性能。
目前热电材料的热电性能主要通过热电功率因子（ZT值）来描述。
ZT值越高，材料的热电性能就越好。
传统的热电材料主要是白金硅酸盐和铋锑合金等材料，它们的ZT值很低，在1以下。
但近年来，一些新型热电材料逐渐受到关注，它们的ZT值已经超过了1，包括锗硒铋、锡硒铋、碲化锡和碲化铋等。
提高热电材料的ZT值需要改善材料的电导率、热导率和Seebeck系数。
电导率的提高可以通过控制材料的掺杂和成分来实现；热导率的降低可以采用纳米晶材料或者界面散射的方法；Seebeck系数的提高则需要对材料进行结构调控和定向生长等方法。
二、热电材料的应用前景热电技术可以将废热转化为电能，从而提高能源利用效率，具有广阔的应用前景。
以下是热电材料在不同领域的应用前景。
1、能量回收热电材料可以将热能转化为电能，因此在能量回收领域有着广泛的应用前景。
例如将汽车发动机排放的废热转化为电能，减少能源的浪费。
此外，在钢铁、玻璃等工业领域，大量的废热被产生并释放到环境中，如果能够将其转化为电能，不仅可以节能减排，而且还可以为企业带来经济效益。
2、热电冷却热电冷却技术是一种利用Peltier效应，将热能从一个区域转移到另一个区域，从而实现温度控制的方法。
热电材料作为该技术的核心材料，可以应用于制冷设备的制造，例如小型冰箱、制冷器等。
同时，热电冷却技术也可以应用于微电子设备，例如芯片冷却和光电子器件的温度控制等领域。
3、储能技术热电材料可以用于储能技术。
将热能转化为电能，将其存储到电池中，当需要时再将电能转化为热能释放出来。
在可再生能源领域，热电技术中的储存系统可以存储太阳能和风能等不稳定的能源。
热电转换材料及其器件的研究进展
热电转换材料及其器件的研究进展近年来，随着能源问题的日益严峻，热电转换技术备受关注，尤其是热电转换材料及其器件。
热电转换器件是一种能将热能转换成电能或反转的器件，其具有良好的环保性能，无需额外的燃料消耗，被广泛应用于温度测量、热控制和能量回收等领域。
而热电转换材料则是组成热电转换器件的重要组成部分，其主要功能是将热能转化为电能或反转。
目前，热电转换材料的研究进展非常迅速，造就了许多新型热电材料，其中包括热电发电材料、热电制冷材料、复合热电材料等。
1. 热电发电材料热电发电材料的核心是热电效应，通过材料内的电子和热子的运动相互耦合来产生电荷载流子，从而将热能转化为电能。
当前，常温热电发电材料的发展相对成熟，已经经历了几十年的发展历程。
目前，常用的热电材料主要包括铋基化合物、硫化物、氧化物、硒化物和磷化物等。
这些材料均具有良好的热电性能，但是其转换效率、稳定性和成本等方面还有待提高。
此外，新型热电材料——拓扑绝缘体被广泛研究。
拓扑绝缘体的电导率仅存在于材料表面，而材料内部具有绝缘性，可有效地阻止漏电现象的发生。
同时，拓扑绝缘体还具有高的热电效应系数，因此在热电转换领域具有广阔的发展前景。
2. 热电制冷材料热电制冷材料是将电能转化为热能，从而达到制冷的目的。
热电制冷材料的研究始于20世纪60年代，其核心是材料的热电效应，常用材料主要包括硒化铋和硫化铅等。
但是，传统的热电制冷材料存在制冷效果不明显、耐久性差等问题，无法实现大规模商业化应用。
因此，目前热电制冷材料的研究主要集中在提高效率和稳定性方面。
其中，一些新型材料，如FeSb2和CoSb3等，具有良好的热电性能，被认为是热电制冷材料的候选材料之一。
3. 复合热电材料复合热电材料是由两个或多个热电材料复合而成，其具有良好的热电性能和热稳定性，是热电转换领域的新热点。
复合热电材料的研究始于20世纪90年代，其主要特点是将多个材料复合在一起，形成新的结构，从而提高热电性能。
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综合评述热电材料的研究进展Ξ沈 强 涂 溶 张联盟(武汉工业大学材料复合新技术国家实验室430070)摘 要:本文简要介绍了热电效应的应用状况和热电材料的基本特性,重点评述了热电烧结材料、高ZT值热电材料以及具有梯度结构的热电材料的研究进展。
关键词:热电效应,热电材料,品质因子,烧结材料,梯度结构11引 言热电效应(又称:温差电效应)从宏观上看是电能与热能之间的转换,因此从它被发现以来,人们就不断探求和开发其可能的工业用途。
热电偶是其中最为成功的例子,它用于测量温度和辐射能已有一个多世纪的历史。
由于金属的热电效应相当微弱,热电偶只是在开路条件下直接探测电压,而不是作为能量转换装置。
直到50年代末期,半导体材料获得飞速发展以后,人们发现半导体材料具有很好的热电性能,颇具实用价值,此后对热电转换的研究取得了系列进展。
目前,热电发电和热电制冷以它们独特的技术优势,已在许多领域得到了实际应用。
21热电效应的应用状况热电效应是由电流引起的可逆热效应和温差引起的电效应的总称,它包括相互关联的三个效应:Seebeck效应、Peltier效应和T hom son 效应[1]。
1821年,T.J.Seebeck发现,由两种不同导体a,b构成的闭合回路的两端接点的温度不同时,回路中就产生电流,这种现象称为Seebeck 效应。
开路条件下的电动势称为温差电动势,亦称为Seebeck电动势:dV=Αab dTΑab为Seebeck系数,在冷端接点处,若电流由a流向b,则Αab为正,反之为负。
其大小取决于接点温度及组成材料。
Peltier效应是C.A.Peltier在1834年发现,并以他的名字命名的。
当两种不同导体组成回路的接点有微小电流流过时,一个接点会放热,另一个接点则吸热。
而改变电流的方向,放热和吸热的接点也随之改变。
在时间dt内,产生的热量与流经的电流成正比:dQ p=Πab I ab dtΠab为Peltier系数,当电流由a流向b,I ab取正,dQ p>0,吸热,反之放热。
Πab的大小与接点温度和组成材料有关。
T hom son效应是指当一段存在温度梯度的导体通过电流I时,原有的温度分布将被破坏,为了维持原有的温度分布,导体将吸收或放出热量。
T hom son热与电流密度和温度梯度成正比:dQ t=ΣIdt(dT dx)Σ为T hom son系数,符号规则与Peltier效应相同,当电流流向热端,dT dx>0,Σ>0,吸热。
以上的Seebeck系数Αab、Peltier系数Πab和T hom son系数Σ,都是表征热电材料性能的重要参量,其相互关系可由Kelvin关系式表述如下:Πab=Αab TΣa-Σb=T(dΑab dT)—32—Ξ国家自然科学基金资助批准号:59581002热电发电和热电制冷是应用热电效应作为能量转换的两种形式。
热电发电具有其它发电形式不可比拟的优点:装置联结紧凑;无机械转动部件;工作无噪声;安全不失效,使用寿命长;在没有石化燃料作热源时,可利用太阳能、放射性同位素辐射等提供热源[2]。
尽管其造价偏高、效率偏低,但是在一些特殊场合,特别是在空间发电站中仍然具有极强的生命力。
美国对为航天器提供能源的四种能量体系:R ank ie 循环、B rayton 循环、热离子转换及热电转换的比较研究表明,热电转换具有明显的优越性。
目前,在卫星及其它空间飞行器中已有许多商业化的热电转换器投入正常运转,使用效果非常好。
还可用于水下油管的阴极保护,偏远地区自动天气预报站的配备电源,无人航标灯,工业废余热利用等诸多方面。
另一个极有可能的应用在小功率领域,如各种传感电路、逻辑门和消错电路的短期ΛW 、mW 级电源,小的短程通讯装置以及生理学研究中的小型发电机等等。
与热电发电正好相反,利用Peltier 效应的热电制冷是将电能转换成热能,它也具有机械式压缩制冷难以媲美的优点:体积小,可以制成不到1c m 3的制冷器;重量轻,轻到只有几克或几十克;无任何机械转动部件,工作无噪声;无液态或气态工质,因而不存在污染;安全可靠性高,控制灵活,改变供电电流,可实现制冷量的连续调节,改变电流方向,可逆向供热。
其缺点是产冷量低,工作温度较低时转换效率也较低。
虽然如此,鉴于它本身所具备的优点,使它仍在很多科技和工业领域中得到了广泛应用,几乎遍及理、工、农、医等各个领域,并已形成了一定规模的产业[3]。
31热电材料的基本特征众多的研究表明,一种好的热电材料必须具有大的Seebeck 系数Α、小的热导率ϑ以及大的电导率Ρ,这些性能集中体现于材料的品质因子Z 中,Z =Α2Ρ ϑ。
对于最基本的热电发电回路的计算表明[4],其最高转换效率为:Γm ax =T h-T c T h -M -1M +T h T c(1)M =[1+Z (T h +T c )2]1 2(2)Z =(Αa -Αb )2[(Θa ϑa )1 2+(Θb ϑb )1 2]2(3)简单制冷回路的最高制冷效率可由下式得到:Υm ax =T c T h-T c M -T h T cM +1(4)当Υm ax =0,可获得最大温差,即:∃T m ax =(T h -T c )m ax =ZT c 22(5)以上式中的T h 和T c 分别是指热电单元的热端和冷端温度,Θa,b 、ϑa,b 分别是热电材料a ,b 的电阻率和热导率,Z 是热电单元的品质因子。
从式(1)～式(3)可以看出,最高热电转换效率主要取决于热电单元工作范围内的温差∃T 和品质因子Z ,∃T 、Z 值越大,Γm ax 越高。
制冷回路中最大温差的获得,要求热电单元的品质因子Z 越大越好。
半导体材料因为可以通过适当改变Α、ϑ、Ρ的大小来获得较大的Z 值,因此现阶段应用于热电转换的都是半导体材料。
图1 热电材料的品质因子Z 与温度的关系—42—图2 热电材料的转换效率与输出功率的关系 热电材料除了要具有较高的Z值外,还应考虑材料使用环境的一些实际因素,比如材料的化学稳定性、热电性能参数的稳定性、在较大温差下工作时能承受热应力等。
目前研究的热材料主要有I V族元素及固溶体、I V族、V族及稀土金属的硫系化合物以及 - 族化合物,其中研究比较成熟的有B iT e合金、PbT e合金、SiGe合金等。
它们的品质因子Z值随温度的变化情况见图1[5]。
由图知,每种热电材料都有各自的适用工作温度范围,Z值的差别也很大。
由于Z、∃T对于Γm ax具有同等地位,所以采用适用温域最宽的SiGe制作的热电转换器效率最高,PbT e次之,B iT e最低。
此外,由于热损失的存在,转换效率还与输出功率有关,图2给出的是上述三种材料的转换效率与输出功率的关系,因为材料各自的适用温域不同,使得它们只能用于不同的输出功率区间。
41热电材料的研究进展411热电烧结材料传统的热电材料制备工艺,多是采用区熔法[6],其主要步骤为:各元素粉末经混合熔融、合金均匀化后再进行单晶生长,制成有取向的单晶体材料。
另一种主要方法是粉末冶金法,同区熔法一样要经过熔炼,然后粉碎晶锭,再压制成型。
这两种方法由于存在高温熔炼过程,必然导致了生产工艺的复杂化和成本的提高。
尽管单晶体材料的取向性使得它在某一方向上的性能较为优越,但也有其致命的缺点:脆性大;机械强度低;容易解理,而解理将导致材料性能急剧恶化;加工困难等。
在一定气氛下,通过固相烧结技术制备的多晶热电材料则可克服这些缺点。
同时,烧结工艺的制备方法简单,易于控制,对设备的要求不苛刻,相对于熔融过程,材料制备周期大大缩短,而且易于机械加工。
通过改善烧结材料的显微结构,如控制孔隙率、晶界及晶界相等,可使烧结材料的热电性能达到单晶体材料水平。
尤其是从Row e等[7,8]指出热压烧结的材料由于晶界散射能够降低材料的热导率之后,对烧结材料的热电性能的研究更为活跃。
如果烧结材料中存在的晶界不至于损伤过多的电导率的话,那么采用烧结的途径具有更大的优越性。
从目前的文献看,关于晶界存在导致热导率下降的确得到了诸多验证,但对电导率的影响则有较大的分歧,说法不一。
有的报导说电导率下降很小,有的说下降很大,还有待于进一步的研究。
烧结材料的显微结构对热电性能的影响及其调控和改善是今后热电材料发展的一个重要方向。
412高ZT值热电材料近几十年来研究的许多热电材料在300K ～1300K范围内ZT值都小于或接近1,尽管理论上没有ZT=1的极限,但实验上还很少有材料的ZT值超过1。
不过现有的研究表明,稀有金属的硫系化合物和富硼的硼化物有可能在高温时使ZT>1。
稀有金属的硫系化合物中只有R3X4～R2X3型固溶体适合于做高温材料,R代表稀有金属,X代表硫系元素S、Se、T e。
它们兼有较高的迁移率、较低的德拜温度及小的热导率,图3给出了此类化合物的ZT值与温度的关系[1]。
可以看到,在一定的温度下其ZT值将大于1。
由于这些数据多是从别的化合物估算或是从低—52—温外推得到的,并且高温下热导率不易准确测定,因此对图中的ZT 值应持保留态度。
图3 稀有金属的硫系化合物的ZT 值随温度的变化目前文献报导的此类化合物均为n 型,结构分析表明,立方T h 3P 4型结构的晶胞可以写作4R 3-y V y X 4,V y 为稀有金属空位。
晶胞的电荷特征为:(R 3+)3-y V y (X 2-)4(e -1)1-3y ,对于R 2X 3化合物,y =1 3,可以自由电子浓度[e ]=0,事实上,R 2X 3为绝缘体。
随着R 的引入,R 3+离子进入到晶格R 原子空位上,根据电中性原则将产生一定量的电子。
因此组成范围在R 3X 4～R 2X 3型固溶化合物都是n 型。
为制备p 型R 3X 4～R 2X 3型固溶化合物的研究工作正在进行当中,较有希望的途径是采用不具有立方T h 3P 4型结构的材料。
许多富硼的硼化物,如Β-B 、B 14Si 、B x C 、Α-A l B 12等的热电性能已得到了研究。
富硼体系的一个突出特点是它们的晶格热导率一般都很低,这主要是由于其结构的复杂性,使得比热容极小造成的。
再者,它们的Α、Ρ与温度的关系与常规宽带半导体的不同,Α、Ρ在很大范围内随温度的升高而升高,这种现象通常被认为是由于载流子不同的跃迁机制导致的。
富硼体系也存在与稀有金属的硫系化合物相类似的重要问题,即n 型材料的制备。
迄今为止,所得到的都是p 型富硼材料,还没有真正关于n 型材料制备的报导。
413具有梯度结构的热电材料对于传统的热电材料,尽管在通过控制最佳载流子浓度以及通过固溶掺杂降低热导率等研究方面做了大量的工作,但想进一步提高它们自身的品质因子来获得更高的热电转换效率是极其困难的。