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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划热电材料的优势热电材料摘要热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接转换的功能材料，也是一种极具发展前景的能源材料。本文详述了三个基本热电效应：帕尔贴效应、汤姆逊效应、赛贝克效应，以及影响热电势的因素，目前热电材料的基本分类，探讨了提高热电性能的途径，并对近几年热电材料的研发趋势，应用趋势进行了分析与讨论。关键词热电效应、帕尔贴效应、汤姆逊效应、赛贝克效应、热电势影响因素、热电材料、热电优值、提高热电优值方法、热电材料研发、应用趋势引言1823年德国的物理学家Thomas
2、Seebeck就在实验中上发现，在具有温度梯度的样品两端会出现电压降，这一效应成为制造热电偶测量温度和将热能直接转换为电能的理论基础，称为Seebeck效应。Seebeck提出了用热电材料制成热电发电器的设想。1834年HeiichLens又发现将一滴水置于铋(Bi)和锑(Sb)的接点上，通以正向电流，水滴结成冰，通以反向电流，冰融化成水，此效应称为制冷效应或Peltier效应1。随着全世界环境污染和能源危机的日益严重，对人类可持续发展广泛的关注，导致发达国家对新环保能源替代材料开发研究的重视和巨额投入，利用热电材料制成的制冷和发电系统体积小重量轻；无任何机械转动部分，工作中无噪音，不造成任何
3、环境污染；使用寿命长，且易于控制，由于热电材料的这些特性使其再次成为材料科学的研究热点2。正文材料中存在电位差时会产生电流，存在温度差时会产生热流。从电子论的观点来看，在金属和半导体中，不论是电流还是热流都与电子的运动有关系，故电位差、温度差、电流、热流之间存在着交叉联系，这就构成了热电效应3。金属的热电现象可以概括为三个基本热电效应。1.帕尔贴效应不同金属中，自由电子具有不同的能量状态，如图1所示，在某一温度下，当两种金属A和B相互接触时，若金属A的电子能量高，则电子要从A流向B，使A的电子减少，而B的电子增多，由此导致金属A的点位变正，B的点位变负。T图1帕尔贴效应示意图于是在金属A的电子
4、于B之间产生一个静电势VAB，通常称为接触电势，由于接触电势的存在，若沿AB方向通以电流，则接触点处要吸收热量；若从反方向通以电流，则接触点出要放出热量，这种效应称为帕尔贴效应。吸收或放出的热量Qp称为帕尔贴热，即Qp=PIt式中,P为帕尔贴系数或帕尔贴电势，与金属的本性和温度有关；I为电流；t为电流通过的时间。帕尔贴热可以用实验法确定，通常帕尔贴热和焦耳热总是叠加在一起的，由于焦耳热与电流方向无关，帕尔贴热与电流方向有关，利用此特点可用正反通电法将其测出。2.汤姆逊效应当一根金属导线两端温度不同时，若通以电流，则在导线中除产生焦耳热外，还要产生额外的吸热放热现象，这种热电现象成为汤姆逊效应。
5、电流方向与导线中热流方向一致时产生放热效应，反之产生吸热效应。吸收或放出的热量称为汤姆逊热QT，即QT=SItT式中，S为汤姆逊系数；I为电流；t为通电时间；T为导线两端温差。QT也可用反正通电法测出。3.赛贝克效应当两种不同的金属或合金A、B联成闭合回路，且两接点处温度不2T1T2图2赛贝克效应示意图相应的电动势称为热电势，其方向取决于温度梯度的方向。我们规定热电势方向为，在热端，若电流由A流向B，则B为正A为负，即在热端电流由负流向正。赛贝克效应的实质是在于两种金属接触时会产生接触电势差，也就是前面提到的V。这中接触电势差的产生是由于两种金属中电子逸出功不同及两种金属中电子浓度不同所造成的
6、。VAB=VBVA+KT/e*ln(NA/NB)其中，VA、VB分别为金属A和金属B的逸出电势；NA、NB分别为金属A和金属B的有效电子密度,它们都与金属本质有关；k为玻尔兹曼常数；T为热力学温度；e为电子电量。由可以得出A和B两种金属组成回路的热电势EAB，即EAB=VAB(T1)VAB(T2)=VBVA+KT1/e*Ln(NA/NB)VB+VAKT2/e*Ln(NA/NB)=(T1T2)K/e*Ln(NA/NB)回路的热电势与两金属的有效电子密度有关，并与两接触端的温差有关。4.热电势影响因素1)金属本性的影响不同金属的电子逸出功和自由电子密度不同，热电势也不相同。如在两根不同的金属丝之间
7、串联进另一种金属，只要串联金属两端的温度不同，则回路中产生的总热电势只与原有的两种金属的性质有关，而与串联的中间金属无关。这称为中间金属定律。将两种不同金属的一端焊在一起，作为热端，而将另一端分开，并保持恒温，这就构成了一支简单的热电偶。应用中可通过冷端测量热电偶的热电势来研究金属。2)温度的影响由式可以看出，热电势与两接点处的温差成正比，如果保持冷端的温度不变，则热电势应与热端温度成正比。而实际上，热电势还受其他一些因素的影响，使这种正比例关系只能近似成立，实用中常用经验公式表示热电势E与温度的关系，即E=at+b*t2+c*t3式中，t为热端温度；a、b、c为表征形成热点偶金属本质的常数。
8、3)合金化的影响目前对合金的热电势还研究的不够。在形成连续固溶体时，热电势与浓度关系呈悬链式变化。但过渡族元素往往不符合这种规律。当合金的某一成分形成化合物时，其热电势会发生突变。若化合物具有半导体性质时，由于共价结合的加强，其热电势显著增加，多相合金的热电势处于组成相的热电势之间。如两相的电导率相近，则热电势与体积浓度几乎呈直线关系。4)含碳量对钢热电势的影响钢的含碳量和其组织状态对热电势有显著影响。纯铁和钢组成热热电材料性能研究摘要:热电材料具有体积小、质量轻坚固、无噪音、寿命长、无污染、以控制等优点，能实现温度与电能的转换，在环境问题日益严峻的当今是很有发展空间的新型能源材料。本文将从工
9、作原理、应用现状、球磨制备与性能改进等方面对热电材料做简单介绍。关键词：热电材料原理应用性能改进TheresearchonpropertiesofthermoelectricmaterialsAbstract:Thermoelectricmaterialshavemanyadvantages,suchassmallinsize,lightweightandfirm,nonoise,nopollution,longoperatinglifeandconvinienttocontrol,etc.Itcanswitchfromthermalenergytoelectricenergy,whileen
10、vironmentalproblemshavebecomeincreasinglyserious，thermoelectricmaterialsarepromisingamongthenewarticlewillmakeabriefintroductiononthermoelectricmaterialsontheworkingprinciple,applicationstatus,millingandotheraspectsofpreparationandperformanceimprovements.Keywords:Thermoelectricmaterials;workingprinc
11、iple;applicationperformance;performanceimprovements1、引言能源是人类活动的物质基础，是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动力。随着人类对能源需求的快速提升，石油、煤、天然气等主要的传统不可再生能源开始日益枯竭。风能、太阳能、地热能等低污染。可再生系能源在世界范围内开始被大力开发，这些能源的转化都需要借助新型材料来实现，因此，能源材料的开发成为研究的热点。热电材料作为一种环境友好型材料，是一种将电能与热能交互转变的材料，具有如下优点：体积小，重量轻，坚固，且工作中无噪音;温度控制可在之内;不必使用CFC(CFC氯氟碳类物质，氟里昂。被认为会破坏
12、臭气层)，不会造成任何环境污染；可回收热源并转变成电能，使用寿命长，易于控制。虽然其优点众多，但目前利用热电材料制成的装置其效率(5%)仍远比传统冰箱或发电机小。所以若能大幅度提升这些热电材料的效率，将对广泛用于露营的手提式致冷器、太空应用和半导体晶片冷却等产生相当重要的影响。家庭与工业上的冷却将因热电装置无运动的部件，是坚固的，安静的，可靠的，且避免使用会破坏臭气层的含氯氟碳氢化合物。电热材料需要有高导电性以避免电阻所引起电功率之损失，同时亦需具有低热传导系数以使冷热两端的温差不会因热传导而改变。2、热电材料基本原理温差发电基本原理温差发电基本原理是基于热电材料的塞贝克效应发展起来的一种发电
13、技术，将P型和N型两种不同类型的热电材料一端相连形成一个PN结，如图1，置于高温状态，另一端形成低温，则由于热激发作用，P型材料高温端空穴浓度高于低温端，因此在这种浓度梯度的驱动下，空穴和电子就开始向低温端扩散，从而形成电动势，这样热电材料就通过高低温端间的温差完成了将高温端输入的热能直接转化成电能的过程。单独的一个PN结，可形成的电动势很小，而如果将很多这样的PN结串联起来，就可以得到足够高的电压，成为一个温差发电器1。图1热电效应原理图PrinciplediagramofthethermoelectriceffectSeebeck效应Pettier效应和Thomson效应，这3个效应奠定了
14、热电理论的基础，同时也确定了热电材料的应用方向。Seebeck效应Seebeck效应又称为温差电效应，是指在两种不同金属构成的回路中，如果两个接头处的温度不同，发现了回路中有一电动势存在。Seebeck效应的大小可通过Seebeck系数来表征，Seebeck系数定义：Sab?lim?v/At?dv/(?t?0)式中：?v为电压降；?t为温度差对于两端尚未建立起温差的孤立导体，其载流子在导体内为均匀分布，当温度梯度在导体内建立后!处于热端的载流子就具有较大的动能，趋于向冷端扩散并在冷端堆积!使得冷端的载流子数目多于热端，这种电荷的堆积将使导体内的电中性遭到破坏，另一方面!电荷在冷端的积累导致在导
15、体内建立一个自建电场。以阻止热端载流子向冷端的进一步扩散，这样当导体达到平衡时。导体内无净电荷的定向移动!此时在导体两端形成的电势差就是Seebeck电势2。Peltier效应当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸放热现象，改变电流方向，吸放热也随之反向。吸放热量可表示为：Q?abI其中I为电流大小，?为Peltier系数。Thomson效应是一种二级效应，若电流流过有温度梯度的导体，则在导体和周围环境之间将进行能量交换，当电流流过一个单一导体，且该导体中存在温度梯度，就会有可逆的热效应产生，称为Thomson效应。Thomson热与电流和温度梯度成正比，为：dQ/dt?r(dT/dx)其中T为Thomson系数。热电材料的热电性能用热电优值Z来表征：Z?S2/?K其中S为塞贝克系数；?为电阻率；K为热导率。通常热电转换效率用无量纲优值ZT来表
