热电材料的研究进展
摘要：热电材料作为材料学科的一个门类，拥有深远的应用前景和宽广的应用领域。随着当前社会能源和环境问题的日益严峻，热电材料再次引起了很多科研工作着的广泛关注。本文就热电效应、热电材料的研究现在、热电材料的种类及应用等问题进行综述。
关键字：热电材料、热电效应、热电材料种类、研究现状及应用前景
0.引言
热电材料是一种将热能和电能直接转换的功能材料．其主要应用领域包括：利用低品位热能(如工业余热、废热、地热、太阳能等)发电；无污染、无噪声的制冷或制热系统}边远地区或特别行业使用的小型发电装置等。随着能源和环境问题日益严峻，很多材料工作者的注意力又再一次的转移到热电材料上。希望通过研究，使得热电材料的研究和应用有着进一步的突破，力求缓解当前的能源和环境问题。本文对热电材料的热电效应，热电材料的研究现状，热电材料的种类等问题进行浅析。
1.热电效应及热电材料性能表征
1.1 热电效应
所谓的热电效应，是指当物体受热时，物体中的电子(空穴)随着温度梯度由高温区往低温区移动，所产生电流或电荷堆积的一种现象。而这个效应的大小，用称为Thermopower(Q)的参数来衡量，其定义为Q=E/-dT(E为因电荷堆积产生的电场，dT则是温度梯度)。物体的热电效应本质上是体内载流子运动的结果。
(1) Seebeck效应
Seebeck效应又称作第一热电效应，是指在两种不同导电材料（导体或半导体）构成的闭合回路中，当两个接点温度不同时，回路中产生的电势使热能转变为电能的一种现象。
1821年，法国物理学家T．J．Seebeck在考察Bi—Cu与Bi—Te回路的电磁效应时发现了热电流，这就是Seebeck效应的发现。他的实验表明，当由两种不同导体构成的闭合回路的两个节点温度不同时，回路中有热电流产生。如图1.1所
示，不同材料A、B两端节点存在小温差△T，便会产生Seebeck电势△V，定义Seebeck电势率S ab = V/T。当△T→0时，写成：
S ab=dV/dT (1-1) S ab称为Seebeck系数，S ab是材料本身的性质，其符号取决于组成热偶的材料本身及节点的温度，一般规定如果冷端电流的方向是由a到b，S ab为正；S ab的大小取决于两节点的温度和组成的材料。
(2) Peltier效应
1834年法国物理学家C．A．Peltier观察到当电流通过两个不同导体的节点时，在节点附近有温度变化，当电流从某一方向流经回路的节点时，节点会变冷，而当电流反向的时候，结点温度会变热。这种现象就称为Peltier效应。Lenz于1838年给出该效应的本质特征。
Peltier效应表明，流经两种不同导体组成的回路结点的微小电流会产生可逆的热效应，在时间dt内其热量dQ p的大小与流过的电流I成正比：
dQ pπab Idt=qπab(1-2) 比例系数πab称为Peltier系数，也称Peltier电势，q是传输的电荷。当电流由a 到b时，πab为正，dQ>0，吸热；反之则放热。πab的大小与节点温度及组成热偶材料有关。Peltier效应产生的原因是位于节点两边材料中载流子浓度与Fermi能级不一样，当电流通过节点时，为了维持能量和电荷守恒，必须与环境交换能量。
图 1.1 Seebeck 热电装置图
(3) Thomson效应
让金属棒两端维持不同的温度，当电流通过金属棒时，棒中除产生焦耳热外还会出现吸热或放热现象。电流从低温端流入高温端流出时，金属棒从外界吸收热量；电流从高温端流入低温端流出时，金属棒放出热量。这现象称为汤姆孙效应。
1854年，Thomson发现当电流通过一个单一导体，且该导体中存在温度梯度时，就会有可逆的热效应产生，随后称为Thomson效应，产生的热为Thomson热。Thomson热与通过的电流，经历的时间成正比。假定温度梯度较小，dQT=τIdT/dx，比例系数τ为Thomson系数。符号规则与Peltier效应相同，当电流流向热端时，dT>0，τ>0，dQ>0，吸热[1]。
1.2 热电材料性能表征——热电优值
热电材料的热电性能由它的优值（或称品质因子——Figure of merit）Z来表征，Z越大越好。实际工作中由于每种热电材料都有各自适宜的工作温度范围,因此常用热电品质因子Z与温度T之积——ZT（无量纲量）来描述材料的热电性能。ZT越大,材料的热电性能越好。实际应用的热电材料要求ZT不低于2.0。其中Z、ZT的计算公式分别为：
Z=S2σ/λ （1-3）
ZT=S2σT/λ （1-4）式中：Z——热电优值，单位为K-1；
T——绝对温度，单位为K；
S——Seebeck系数，单位为V?K-1；
σ——电导率，单位为S?㎝-1；
λ——热导率，W?㎝-1?K-1).
从以上公式可知,好的热电材料应具备高的Seebeck系数（S）、高的电导率(σ)和低的热导率(λ),因此提高材料热电性能的主要方法有：(1)寻找具有较高Seebeck 系数的材料。材料的晶体结构、化学组成及能带结构等因素通过影响材料中载流子的迁移率来影响材料的Seebeck系数。可以通过掺杂、替代等方法来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,提高载流子的迁移率,从而提高材料的Seebeck系数；(2)提高材料的电导率(σ)。通过提高载流子浓度和
载流子迁移率可以提高材料的电导率σ；(3)降低材料热导率λ。
热电材料的S 、σ、λ 三个系数的变化不是独立的。实验证明,对许多热电半导体材料来,电导率提高至一定值后,其Seebeck系数却随着电导率的进一步提高而较大幅度地下降,从而使热电灵敏值的分子项S2σ可调范围受到限制。若想得到性能更好的热电材料,降低材料的导热系数成为提高热电性能的最重要途径。材料的热导率为电子热导率（λe）和声子（晶格）热导率（λl）之和。对热电材料而言,电子热导率占总热导率的比例较小。因此,通过增强晶格点阵对声子的散射来降低声子热导率以调节材料的热导率几乎成了提高材料热电优值最主要的方法。可以通过改变晶体结构、掺杂以及将材料制备成多晶材料,利用晶界对声子的衍射作用来降低声子的热导率[2]。
2.热电材料的研究进展
图 1.2 汇总了自20世纪50年代后出现的几种典型热电材料的性能及其随年代的进展。20世纪90年代以前,热电材料的研究主要是窄带半导体热电理论,集中在Bi2Te3、PbTe、Si-Ge合金等材料体系上,主要通过掺杂、合金化、微米尺度的复合等手段优化其热电性能。但是,这些传统热电材料的性能在过去几十年中提高缓慢,其ZT值一直在1.0以下徘徊。90年代后期,美国科学家提出了一种理想化的理论模型―Phonon-Glass and Electronic-Crystal‖(声子玻璃?电子晶体,简称PGEC),即理想的热电材料应该是材料的电学性能如同晶体而热学性能如同玻璃。在该模型的启发下,人们相继发现了诸如填充方钴矿、Clathrate等具有笼状结构的新型热电材料,这些笼状化合物具有典型的PGEC特征,已成为目前热电材料研究领域的热点方向。通过微结构的调控和复合手段优化热电性能也是热电材料领域长期以来一直倍受关注的研究方向。但是,80至90年代的大部分研究结果表明在微米层次上的复合很难实现对材料电、热输运性能的协同调控。90年代末,美国一些科学家提出了通过低维与纳米化提高热电性能的概念。
近十多年来,通过在纳米尺度上的结构调控改善传统材料热电性能的研究成为热电材料领域又一主流方向。先后出现了纳米线或超晶格纳米线、超晶格薄膜、纳米晶材料和纳米复合材料等多种具有不同于传统材料微结构特征的新型热电材料,其热电性能获得明显提升。近十年来,ZT值记录突破了一度曾被人们怀疑是热电性能极限值的1.0的大关,许多低维材料报道的ZT值超过了2.0[3]。
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图 1.2 几种典型的热电材料体系热电优值随年代的进展图
3.热电材料的种类
根据材料的结构特征和性能，将热电材料分为以下几种主要类型：
3.1 填充Skutterudite化合物
Skutterudite化合物是指具有CoAs3型结构的材料，是一种很有潜力且被广泛研究的热电材料。结构通式可表示为AB3，其中A为Rh、Co、Ir等金属元素，B 为Sb、As、P等非金属元素。其具有复杂的立方晶体结构，如图 1.3 所示，每个单胞中存在两个大的空隙，一些大质量的金属原子可以填充到空隙中，形成填充方钴矿结构。填充原子在空隙中振动，对声子产生很大的散射，大幅度降低晶格热导率。填充原子越小、质量越大，它们产生的散射效应就越大、越无序，晶格热导率的降低就越明显。利用Ba和Yb双原子填充CoSb3得到n型的Ba x Yb y Co4Sb12化合物，由于Ba和Yb原子对声子强烈地散射导致晶格热导率的降低，800K时，ZT值达到1.36。
图 1.3 skutterudite化合物（CoSb3）的结构示意图
3.2 Clathrates型化合物
Clathrates型化合物主要有两种不同的结构：Ⅰ型结构表达为X2Y6E46其中Ｅ
为形成框架结构的原子，X、Y原子作为外来原子填充于多面体的笼形结构E20、E24中；Ⅱ型结构则由E20、E28两种笼式多面体构成。笼形结构能容纳大的原子，有效增加了对晶格声子的散射，从而降低了晶格热导率。对Clathrates型化合物而言，除了外来原子的散射作用外，其自身开放的框架结构也是它具有低热导率的原因之一。有研究人员利用熔融反应结合放电等离子烧结，制备了Yb和Ba双原子填充的Ⅰ型Yb x Ba8-x Ga16Ge30笼形化合物。发现双原子填充比单原子填充有更低的晶格热导率，Yb和Ba双原子不规则地填充于多面体笼形结构中，对声子的散射效果更好，950K时，Yb0.5Ba7.5Ga16Ge30化合物的ZT值达到1.1，比Ba8Ga16Ge30提高90％。有研究者提出Clathrates型化合物Ⅲ型笼式结构，表达式为X24Ｅ100。制备得的Ⅲ型Clathrates化合物Ba24Ga x Ge100-x的ZT值在670℃达到1.25。
3.3 Half-Heusler金属间化合物
Half-Heusler（HH）金属间化合物的通式为XYZ，其中X和Y是过渡金属元素，Z为主族元素。通过外部原子取代以及掺杂可改善其热电性能。有人研究了Hf合金化以及Sb掺杂对Ti-Ni-Sn基Half-Heusler化合物热电性能的影响，发现Hf 取代Ti、Sb掺杂在Sn的位置，导致晶格热导率降低、功率因子增加。当载流子浓度为4.1×1020/㎝3时，取得了最大的功率因子4.5mW/（ｍ?K2)；770K时，(Ti0.95-Hf0.05)Ni（Sn0.99Sb0.01）化合物的ZT值为0.78。也有报道（Zr0.5Hf0.5）
Ti0.5NiSn0.998Sb0.002在700K时的ZT值达到1.5，Ti的取代不仅降低了热导率，并0.5
且显著地提高了Seebeck系数。此类材料的一个显著缺陷是热导率偏高，一般采用置换或多元合金化的方法来降低其热导率。
3.4 金属氧化物[2]
金属氧化物具有高的热稳定性和化学稳定性，可以在高温以及氧气气氛中使用，并且大多数氧化物都无毒、无污染、环境友好，是一种具有广阔应用前景的环境友好型热电材料。1997年有人发现层状金属氧化物NaCo2O4具有很好的热电性能，不仅具有很高的Seebeck系数，而且还具有低的热导率。也有人制备了Ca2Co2O5单晶晶须，Seebeck系数在100K时为100μＶ/Ｋ，并随温度升高而增大；973K时达210μＶ/Ｋ。如果参考多晶Ca2Co2O5的热导率，Ca2Co2O5单晶晶须在Ｔ≥873Ｋ时，ZT值估计在1.2～2.7之间。金属氧化物热电材料的不足之处在于电导率偏低，如果能改善其电导率，将会大幅度提升热电性能。氧化物热电材料类型主要有以下几种：
3.4.1 钴基氧化物热电材料
自日本学者1997年发现NaCo2O4单晶具有反常的热电性能后,科学界便开始了以钴基氧化物为代表的金属氧化物的研究。表1.1给出了一些常见钴基氧化物的热电性能。
表 1.1 常见钴基氧化物的热电性能
(1) NaCo2O4热电材料
NaCo2O4的结构如图 1.4 所示。NaCo2O4为层状结构,一层由Na0.5无规则占据,一层由CoO2占据,沿c轴交替排列。Na0.5层引入无序度,降低了热导率。CoO2层负责导电, 有2D三角形格子,是八面体间隙结构,Co位于八面体的体心,O位于六个角点上,多个八面体通过棱的重合排列构成类似于钙钛矿的结构。这种低迁移率、高功率因子材料的发现,为新型过渡金属氧化物热电材料的开发提供了一种新的途径。尽管NaCo2O4具有良好的热电性能,但由于在空气中易潮解,且当温度超过1073K时Na元素挥发, 使NaCo2O4的应用受到了限制。有研究人员对NaCo2O4中
Na位掺杂Ag, Ba, La等重金属后发现,掺入Ag使NaCo2O4的电导率和Seebeck系数增加。科学家在NaCo2O4中掺杂Ca并测试了其热电性能,结果表明随Ca掺入量的增加, 材料电阻率和Seebeck系数同时提高。
图 1.4 NaCo2O4的结构
(2) Ca2Co2O5热电材料
科学家认为,Ca2Co2O5具有复杂的层状结构(如图 1.5 所示),由岩盐结构的Ca2CoO3和CdI2型的CoO2层沿c轴交替排列而成,Ca2CoO3层和CoO2层在a轴和c轴方向上具有相同的晶格常数,在b轴方向存在亚结构点阵错配。理论上,Ca2Co2O5单晶在温度大于873K时，S值大于200μV/K,优值ZT可达到1.2～2.7。
图 1.5 Ca2Co2O5的结构
(3) Ca3Co2O6热电材料
Ca3Co2O6拥有K4CdCl6型结构,属于ABO3密堆积钙钛矿结构,是一个由强相关
性的导电层和一个无序的绝热层交替排列而成的层状材料,它的晶格参数a= 0.90793nm,c=1.0381nm。Ca3Co2O6晶体结构中Co-O原子链是平行于c轴的共面多面体链的一部分。这些链被8个Ca原子分开,由包含Co2的共面三棱柱和包含Co2的八面体组成。具体晶体结构如图 1.6 所示。
图 1.6 Ca3Co2O6的晶体结构示意图
(4) Ca3Co4O9热电材料
科学家认为Ca3Co4O9具有与NaCo2O4类似的层状结构（如图 1.7 所示）,由绝缘层Ca2CoO3和导电层CoO2沿c轴堆叠而成。其中CoO2层是八面体的结构,Co 原子位于八面体的中心,O原子位于八面体的阵点上,八面体间以共边的形式连接。该层中的O负离子与Ca离子和Co离子以离子键的形式结合,不能提供导电离子,因此该层是绝缘层,有利于降低材料的热导率。而CoO2层作为导电层,有利于提高电导率。
图 1.7 Ca3Co4O9的结构示意图
(5) 其它钴基氧化物热电材料
1) Bi2Sr3Co2O y热电陶瓷
Bi2Sr3Co2O y单晶体结构也属于层状结构,Bi2Sr2O4层与CoO2层交替排列。岩盐层Bi2Sr2O4是由SrO-BiO-BiO-SrO4层按序排列组成,而CoO2层为八面体结构,Co位于八面体的中心,与周围6个氧原子相连接,构成共边的八面体。研究发现，随着温度的升高,Bi2Sr3Co2O y单晶的塞贝克系数和电阻率将分别增大和降低,这可能与该强相关性体系中费米能级处存在几个meV宽的间隙有关。
2) R0.9Ca0.1CoO3(R为Pr,Nd,Sm,Gd,Ho)热电材料
日本科学家针对Ca掺杂的RCoO3做了各项参数的比较研究,发现在300～500K时,(Pr0.9Ca0.1)CoO3显示出较高的Z值,但随着温度的升高,Z值快速下降。虽然这一结果与合金材料相比还有相当差距,但这类Ca掺杂的钙钛矿型氧化物可以通过改变稀土元素的原子半径来提高它的Z值。随稀土元素原子半径的减小,电导率和热导率降低,而Seebeck系数增大。
3.4.2 非钴基氧化物热电材料
(1) BaPbO3氧化物
BaPbO3具有较高的电导率,但由于它的Seebeck系数很低,致使品质因子不高。用适当的金属离子部分替换处于A位的Ba离子,由于改变了材料的能带结构,可大大提升Seebeck系数。例如,在BaPbO3中掺杂Sr离子而形成的Ba1-x Sr x PbO3的热电性能随着x值的不同而显著变化。随着x值的增加,热导率和电导率减小, Seebeck系数增大。
(2) Ba0.9-x Sr x La0.1TiO3热电材料
Ba0.9-x Sr x La0.1TiO3是属于钙钛矿结构的n型半导体,随着Sr含量的增加,热导率、电导率和Seebeck系数均增大。科学家认为,增加Sr的含量在导致点缺陷增加的同时也造成了Ti-O距离的增大, 点缺陷的增大有利于热导率的降低, 而Ti-O键强度的变弱却提升了热导率,表明该材料中Ti-O键强度比点缺陷对热导率的影响大。Sr的替代降低了晶格参数,造成Ti-Ti距离减小,增加了Ti的3d轨道在导带中的重叠从而导致电导率提高。此外, Sr的替代宽化了导带,使得载流子的有效数量减小,增大了Seebeck系数。研究表明,在400～600K的范围内,当x=0.6时具有较大的热电优值, Z的最大值为3.0×10-4K-1。
(3) Ca4-3x Ce3x Mn3O10热电材料
Ca4-3x Ce3x Mn3O10是用Ce替代Ca4Mn3O10中的Ca得到的半导体,Ce4+(r=0.87×10-10m)对Ca2+(r=1.00×10-10m)的替代降低了c轴的长度,增加了电子浓度, 提高了电导率,降低了热导率和Seebeck系数。研究表明，x=0.03时得到最大的热电势为0.052×10-3Wm-1K-2, 最大的ZT为0.034(T=1000K)。
(4) Cd3-x A x TeO6热电材料(A为In,La,Bi)
Cd3TeO6是方钴矿结构的绝缘体,通过3价In3+,La3+和Bi3+的替代后,载流子的浓度提高,且Seebeck系数及Hall系数经测量均为负值,这表明替代后的Cd3-x A x TeO6变成了n型半导体。替代的三种离子中, In3+对材料热电性能的提高最为显著,室温下获得的最小电阻为1.3mΩ.cm, T=300K时,多晶Cd2.97In0.03TeO6的最大热电势为1.35×10-4Wm-1K-2,单晶的为4×10-4Wm-1K-2。
(5) Sr1-x La x Fe12-x Co x O19热电材料
Sr1-x La x Fe12-x Co x O19是由La和Co分别对SrFe12O19中的Sr, Fe替代得到的六方结构的n型半导体。材料的居里温度及最大Seebeck系数对应的温度均随La,Co掺杂量的增大而降低,这主要是由于Fe3+逐渐被La离子和Co离子取代,磁性离子数目的减小削弱了Fe A3+-O-Fe B3-型中AB互换强度,需要热量补偿自旋对齐的降低,从而导致居里温度的降低,同时也表明磁场的有序化对热电性能有很大的影响。
3.5 LAST系热电材料
PbTe是具有NaCl晶体结构且被广泛应用于中温范围内的传统热电材料，其衍生物AgPb m SbTe2+m（LAST）近年来备受关注，可被看作是PbTe和AgSbTe2形成的固溶体。2004年有报道AgPb m SbTe2+m(m=18)块体材料，在800Ｋ时ZT值达到2.2，这是因为Ag+、Sb3+取代了晶格中的Pb2+，使得晶格发生畸变，在高分辨透射电镜观察下发现PbTe晶格中存在富Ag-Sb纳米晶区域，形成所谓的量子点，能有效降低晶格热导率，从而提高ZT值。PbTe的其他衍生物，如Ag-Pb m Sn n SbTe2+m+n （LASTT）、PbTe-PbS、NaPb m SbTe2+m等，都具有较低的热导率。LAST系热电材料由于含有Pb，对环境有污染，寻求Pb的替代元素将具有重要的意义。
3.6 In
4Se
3
系热电材料
In4Se3化合物具有层状结构（如图 1.8 所示），b-c平面上的（In3）5+和Se离子以共价键的方式相连，并在范德华力的作用下沿着a轴堆叠。有人提出一种有
效降低热导率的方法：无序的二维层状晶体片结构可能有极低的热导率。基于此，有人提出电荷密度波（Charge density waves）可能应用于热电材料。电荷密度波是一种低维的强电子－声子耦合传输现象，它们之间强烈的相互作用破坏了晶格的对称性。层状结构的电荷密度波引起平行平面方向的晶格畸变可能使材料具备层状和无序晶体片的结构，降低热导率。利用布里奇曼法制备了In4Se3-x晶体，在x=0.65、T=705K时，沿着b-c面方向的热导率仅为0.74W/（m·K），ZT值达到1.48。通过高分辨透射电镜观察、电子衍射分析以及第一性原理计算发现，电荷密度波的不稳定性决定了电和热传输的各向异性，在平行电荷密度波的平面上具有最小的热导率以及最大的ZT值[4]。
图 1.8 In4Se3结构示意图
3.7 梯度结构热电材料
由于单一均匀的热电材料只在某一段温度区间具有最佳的热电性能，而实际使用中的热电器件总是在温度梯度下工作的。因此，如果对应于每一段温度区间都为相应性能最佳的材料，则材料性能得到最佳组合利用，整体性能提高；另一方面，对温差发电而言，发电效率又与材料的温差△T成正比关系，扩大工作温度区间能显著提高效率。而每一种单一材料由于热稳定性等的限制往往只在某一段较窄的温度区间性能较好。因此，若能制备最佳工作温度呈梯度变化的分段复合热电组元，则能量转换效率会有显著提高。为此，梯度结构热电材料的制备及研究引起了特别的关注。
梯度结构材料分为层状梯度材料和载流子浓度梯度材料。层状梯度热电材料可分为二元层结构梯度热电材料、多元层结构梯度热电材料和膜层结构梯度热电材料。层状梯度材料中热电材料按最大工作温度高低组合在一起，可在大温差范
围内工作，并可达到较高的热电转换效率。载流子浓度梯度结构则是采用母体相同而掺杂含量不同，这种结构的原理是由于掺杂量不同会影响到最佳热电性能分布所对应的温度值，因此热电材料的每一部分在特定温度区间均表现出最佳性能，从而获得比单一结构高的效率。日本在载流子浓度梯度热电材料研究领域处于领先位置[5]。
3.8 纳米热电材料
(1) 纳米线和纳米管热电材料
由于量子线比量子阱进一步提高态密度,对更低维度结构理论计算表明,纳米线可能比超晶格（多层薄膜）有更好的热电性能。理论预计量子线直径小于1nm 材料的ZT值将超过10。
目前制备一维纳米线的方法主要有气相冷凝、电化学法和高压注入法,沸石、氧化铝模板和多孔聚合物是很好的生长纳米线的模板材料。采用以上方法制得的Bi、CoSb3、Bi2Te3或Bi1-x Sb x纳米丝的Seebeck系数均优于常规材料。有研究人员采用水热法合成了Bi2Te3化合物纳米管和纳米囊(直径为100nm),将其加入到n型Bi2Te3热电材料中形成纳米复合材料,相比传统区熔法制得的材料,电导率得到了明显的提高，热导率明显降低，ZT值达到了1.0以上。
(2) 纳米复合结构热电材料
纳米复合结构热电材料是指热电材料中掺入纳米尺寸的杂质相,如掺入纳米颗粒(绝缘、半导体或金属)或引入纳米尺寸空洞等。近几年一些科学家发现,在热电材料中加入化学稳定的纳米颗粒确实可以提高热电材料的ZT值。加入2%～10%(V ol)直径为4nm的BN或B4C纳米颗粒能使Si-Ge合金的热导率降低40%。也有人研究了通过电弧放电法加入SiO2纳米颗粒(0.5%～15%(V ol))后Bi热电材料的性能。加入的SiO2纳米颗粒越多,Seebeck系数越大,虽然热导率有大幅度降低,但电阻率也越大[6]。
4.热电材料的应用
从宏观上看热电效应是电能与热能间的转换，长久以来人们就极力探讨其可能的工业用途。热电材料可用于热电发电和制冷。图 1.9左表示热电制冷,当n 端接正极，p端接负极时,n型半导体中的负电子和p型半导体中的正电子(空穴)都从热电结将热量带到下面的基板，从而使热电结的温度降低。图 1.9右是热电
发电装置示意图，当热电结端受热时,在两电极处出现电压差。为提高热电器件的转换效率,通常热电器件都由很多P-N结串联组成。
图 1.9 热电转换装置图
热电材料也被用于制备高性能氢气传感器。原理是在材料表面的一部分涂覆氢敏催化层，当环境空气中存在氢气时，催化层吸附的氢分子与空气中的氧气发生反应后放出热量,从而在热电材料两端造成温差。由于材料的Seebeck效应,温差被转换为电势，与此连接的报警器就可发出氢气泄漏报警信号。此外,热电材料还可用于太阳能发电、高性能接受器、微小型短程通讯装置等各种领域。随着航天技术、微电子技术、超导技术的发展以及能源和环境问题的日益严重，人类环保意识也在逐渐增强。热电材料以其独有的优点及一些不可替代的特殊用途，将成为21世纪绿色环保热电材料研究的亮点[2]。
5.结语
综上所述，热电材料的应用前景十分宽广，特别是在能源和环境方面有着不可代替的作用。但当前的热电材料的发展和应用还存在很大的问题和技术瓶颈，比如热电材料的热电优值普遍较低，高性能热电材料的制备成本高等问题。由于热电材料在人类社会发展过程中的重要作用，人们对该类材料的研究将会不断的深入。作为材料工作者的我们，更是应该静下心来，不断提高和充实自己，全身心投入科研工作，为材料事业的发展贡献自己的一份力量。
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[6] 罗婷，任山.纳米技术在提高热电材料性能上的应用现状及发展趋势[J].材料导报，2006，20:50 – 53.
土木工程概论论文 中文题目(土木工程材料的可持续发展) 副标题（土木工程材料的现状与可持续发展的地位） 姓名 年级班级 专业 2013年 5 月
附件2：摘要页示例 摘要（3号黑体） 土木工程活动是人类作用于自然生态坏境最重要的生产活动之一。其中，材料是人类赖以生存和发展的物质基础，而土木工程材料是工程结构的物质基础和技术先导，对建筑结构的发展起着关键作用，然而大多数的材料是一次性的，况且，我国是土木工程建设的大国，所有的建筑物，道路，大坝，铁路，港口等都将消耗大量的材料。土木工程作为国民经济的支柱产业，我们既要大力发展，以满足经济增，社会发展的需求，又要注重坏境保护，节约资源，推行可持续发展战略。（4号宋体） 关键词：（4号黑体）土木工程，土木工程材料，可持续发展战略， ABSTRACT（3号黑体） Civil engineering is one of the natural ecological environment of the most important human activity effect. Among them, the material is the material basis for human survival and development, and civil engineering material is the material basis and the technical guide of engineering structure, plays a key role in the development of building structure, however, most of the material is disposable, moreover, China is the big country of civil engineering construction, all the buildings,
热电材料 thermoelectric material 将不同材料的导体连接起来，并通入电流，在不同导体的接触点——结点，将会吸收(或放出)热量.1834年，法国物理学家佩尔捷(J.C.A.Peltier)发现了上述热电效应.1838年，俄国物理学家楞次(L.Lenz)又做出了更具显示度的实验：用金属铋线和锑线构成结点，当电流沿某一方向流过结点时，结点上的水就会凝固成冰；如果反转电流方向，刚刚在结点上凝成的冰又会立即熔化成水. 热电效应本身是可逆的.如果把楞次实验中的直流电源换成灯泡，当我们向结点供给热量，灯泡便会亮起来.尽管当时的科学界对佩尔捷和楞次的发现十分重视，但发现并没有很快转化为应用.这是因为，金属的热电转换效率通常很低.直到20世纪50年代，一些具有优良热电转换性能的半导体材料被发现，热电技术(热电制冷和热电发电)的研究才成为一个热门课题. 目前，在室温附近使用的半导体制冷材料以碲化铋(Bi2Te3)合金为基础.通过掺杂制成P 型和N型半导体.如前所述，将一个P型柱和一个N型柱用金属板连接起来，便构成了半导体制冷器的一个基本单元，如果在结点处的电流方向是从N型柱流向P型柱，则结点将成为制冷单元的“冷头”(温度为Tc)，而与直流电源连接的两个头将是制冷单元的“热端”(温度为Th). N型半导体的费米能级EF位于禁带的上部，P型的则位于禁带的下部.当二者连接在一起时，它们的费米能级趋于“持平”.于是，当电流从N型流向P型时(也就是空穴从N到P；电子从P到N)，载流子的能量便会升高.因此，结点作为冷头就会从Tc端吸热，产生制冷效果. 佩尔捷系数，其中是单位时间内在结点处吸收的热量，I是电流强度，Π的物理意义是，单位电荷在越过结点时的能量差.在热电材料研究中，更容易测量的一个相关参数是泽贝克(Seebeck)系数α,，其中T是温度.显然，α描述单位电荷在越过结点时的熵差. 对于制冷应用来说，初看起来，电流越大越好，佩尔捷系数(或泽贝克系数)越大越好.不幸的是，实际非本征半导体的性质决定了二者不可兼得：电流大要求电导率σ高，而σ和α都是载流子浓度的函数.随着载流子浓度的增加，σ呈上升趋势，而α则下跌，结果ασ只可能在一个特定的载流子浓度下达到最大(注：由热激活产生的电子-空穴对本征载流子，对提高热电效益不起作用). 半导体制冷单元的P型柱和N型柱，都跨接在Tc和Th之间.这就要求它们具有大的热阻.否则，将会加大Tc和Th间的漏热熵增，从而抵消从Tc端吸热同时向Th端放热的制冷效果.最终决定热电材料性能优劣的是组合参数，其中κ是材料的热导率.参数Z和温度T的乘积ZT无量纲，它在评价材料时更常用.目前，性能最佳的热电材料，其ZT值大约是1.0.为要使热电设备与传统的制冷或发电设备竞争，ZT值应该大于2. Glen Slack把上述要求归纳为“电子-晶体和声子-玻璃”.也就是说，好的热电材料应该具有晶体那样的高电导和玻璃那样的低热导.在长程有序的晶体中，电子以布洛赫波的方式运动.刚性离子实点阵不会使传导电子的运动发生偏转.电阻的产生来源于电子同杂质、晶格缺陷以及热声子的碰撞.因此，在完善的晶体中σ可以很大. 半导体中的热导包含两方面的贡献：其一由载流子(假定是电子)的定向运动引起的(κe)；其二是由于声子平衡分布集团的定向运动(κp).根据维德曼-弗兰兹定律，κe∝σ.人们不可能在要求大σ的同时，还要求小的κ e.减小热导的潜力在于减小κp，它与晶格的有序程度密切相关：在长程有序的晶体中，热阻只能来源于三声子倒逆(umklapp)过程和缺陷、
当前特种结构的发展现状与趋势 近20年来，我国的建筑取得了突飞猛进的发展。各种新型建筑拔地而起，各种新兴的施工技术在各类建筑工程中得到迅速推广和应用，加上现阶段我国经济发展的需要和环境问题的突出，各类新型的特种结构越来越被需要。下文列举了常见的5类特种结构来简单的阐述一下当前特种结构的发展现状与未来的趋势。 1、现状 1.1支挡结构 支挡结构包括挡土墙、抗滑桩、预应力锚索等支撑和锚固结构。以刚性较大的墙体支承填土和物料并保证及其稳定的称为挡土墙。 早在60年代初，国外的土建工程就已开始应用并逐步发展轻型挡土墙了。我国在这方面的研究虽起步稍晚，但随着新技术的革新和推广，近二三十年来，也取得了长足的发展，尤其是锚锭板挡土墙，自1974年在我国铁路工程上首创和试建以来，到现在已经完成了一套比较完善的理论系统。 1.2深基坑支护结构 深基坑支护结构是建筑工程的一部分，其发展与建筑工程质量与安全密切相关。由于我国住房资源紧张，适当发展多层和高层建筑，向空中和地下发展，是解决我国土地资源紧张地一条重要出路。随着中高层及超高层建筑的大量涌现，深基坑工程越来愈多。同时，密集的建筑物，大深度的基坑周围复杂的地下设施，使得放坡开挖基坑这一传统技术不再能满足现代化建设的需求。因此，深基坑的支护引起
了各方面的广泛重视。 深基坑支护结构类型可分为悬臂式支护结构、拉锚式支护结构、内支撑支护结构、重力式挡土支护结构、土钉支护、复合土钉支护、预应力锚杆柔性支护。目前，深基坑支护结构的设计计算仍基于极限平衡理论。而极限平衡理论是一种静态设计，而实际上基坑开挖后的土体是一种动态平衡状态，也是一个松弛过程，随着时间的增长，土体强度逐渐下降，并产生一定的变形。工程实践证明，有的支护结构按极限平衡理论计算的安全系数，从理论上讲是局对安全的，但却发生破坏；有的支护结构却恰恰相反，即安全系数虽然比较小，甚至达不到规范的要求，但在实际工程中却能获得成功。 1.3水塔 水塔用于建筑物给水、调剂用水，维持必要水压，并起到沉淀和安全用水的作用。过去欧洲曾建造过一些具有城堡式外形的水塔。法国有一座多功能的水塔，在最高处设置水柜，中部为办公用房，底层是商场。中国也有烟囱和水塔合建在一起的双功能构筑物,是对排出的油烟进行降温，达到油水大量凝结，尽量少排放到大气中，是环保部门要求的一项措施。按水柜形式分为圆柱壳式和倒锥壳式。在中国这两种形式应用最多，此外还有球形、箱形、碗形和水珠形等多种。支筒一般用钢筋混凝土或砖石做成圆筒形。支架多数用钢筋混凝土刚架或钢构架。水塔基础有钢筋混凝土圆板基础、环板基础、单个锥壳与组合锥壳基础和桩基础。当水塔容量较小、高度不大时，也可用砖石材料砌筑的刚性基础。
工程材料结课论文 ——新型材料-泡沫混凝土 一、认识泡沫混凝土 泡沫混凝土又称为发泡水泥、泡沫砼等； 泡沫混凝土是一种内部含有大量细小、封闭、均匀气孔的泡沫状混凝土材料；材料内部气孔内有大量的空气存在，空气与其它材料相比热惰性能最佳，大大降低了泡沫混凝土材料的导热性能； 材料内部气孔呈封闭状态，互不连通，不能形成空气的对流循环，同时砼内部被气孔所隔离，各球形气孔被固化的水泥浆膜包围，气孔对热能穿透能力形成很大阻力，且具有环保节能、轻质高强、保温隔热、隔音、抗水、减震等特性； 一般情况下，发泡混凝土主要用于减轻建筑物自身重量或用来隔音、隔热。二、泡沫混凝土的开发背景 泡沫混凝土的开发和应用始于国外； 上世纪3 0年代，由瑞典人开发研制，在挪威大举成功，在欧、美地区迅速取得广泛的应用； 1973年韩国能源大波动以后，为了节约能源韩国实行建筑节能义务化。根据韩国现有建筑节能设计标准，建筑物楼地面，层与层之间强制使用隔音、隔热材料。为了减少楼板之间的噪音与热传递，使用隔音、隔热材料被义务化； 在日、韩的带动下，泡沫混凝土在东南亚国家快速发展。 从建国初期泡沫混凝土由前苏联传入我国，但未能大范围使用； 改革开放后，国内建筑业迅速发展，建筑所消耗的能源也在日渐增加； 进入21世纪，随着国家对建筑节能的重视，相关的建筑节 能政策不断出台，泡沫混凝土技术在新的机遇下得到了迅速的发展。 三、泡沫混凝土的开发目的 泡沫混凝土的导热系数低且隔热性能突出，因此能提高热效率从而达到节约能源的效果； 对于高层建筑物来说，可以减轻混凝土对整个建筑物的负荷； 住宅楼的地板层可铺设地板采暖管材用以直接供热，降低上下楼层之间热量的传导及隔绝声音的传播； 泡沫混凝土砌块可使用粉煤灰、矿渣粉等工业废弃物做为主要原料，环保利废。 四、泡沫混凝土的性能特点 1、质量轻：泡沫混凝土的密度在200-1200kg/m3之间，是混凝土的1/2～1/15，能有效减少建筑物的负重；目前市场大多采用密度在300～700kg/m3之间的泡沫混凝土； 2、隔音性能好：泡沫混凝土的隔音性能是普通水泥的5-8倍，充分解决了居住空间的隔音问题； 3、耐高温性能好：泡沫混凝土适用的温度可以达到400℃以上，应用于地面辐射供暖受热不变形，无热分解； 4、具有较好的抗压强度和抗老化性：传统有机隔热材料的耐压强度和抗老化性能较差，泡沫混凝土能彻底解决这一问题，可提高保温层的稳固性能和寿命，是传统保温材料的替代产品； 5、环保性能好：泡沫混凝土主要原材料为普通硅酸盐水泥与发泡剂，发泡剂成
绪论 材料、能源、与信息是客观世界的三大要素，是构成现代文明的三大支柱，同时，材料是人类赖以生存的物质基础，是社会现代化的先导、是人类进步的里程碑，它与人类息息相关乃至被公推为人类文明的标志。但是人类对材料的认识却是经历了一个极其漫长的过程，由浅到深、逐步深入。 经典的时空观念将时间分为过去、现在、未来，历史呈现于过去却蕴含在现在与未来，并且，影响、推进着现在与未来：过去，人类对材料认识的深入经历了石器时代、铜器时代、铁器时代和钢铁时代---一个时代的结束与兴起，亦是人类文明的发展与进步；现在，世界无处不材料，“材料”这个名词已经深深的扎根于人们的思想文化领域，促进了现代文明的发展；未来，材料将真正的延伸到世界的每一个角落，与人类文明共同蓬勃发展。 “材料与社会的文明发展”，顾名思义，材料与社会文明的发展唇亡齿寒，若没有材料，社会不可能会发展，人类历史上的许多记载便是明证，再者，若人类文明不存在，那么遑谈材料是否存在了。材料与人类文明的发展是息息相关的，不论是过去已有的历史，还是蓬勃发展的今朝，更或者是无法预测的未来，都离不开材料。 关键词：物质基础、人类文明、时空观念、材料。 PART 1 与材料的初步对话 材料的定义：材料一般是指人类用以制造生活生产的所需的、有用的物品、器件、构件、机器和其他产品的物质。材料是物质，但不是所有的物质都可以称之为材料。如燃料与化学原料、工业化学品、食物和药物，一般都不算是材料。只有那些可为人类社会接受而又能经济的制造有用器件的物质，才能叫做材料。但是根据许多可靠资料来源，这个定义其实不是那么的严格，如炸药、固体火箭推进剂，有人便称之为“含能材料”。另外，就这个定义而言，其中“制造”一词一定涉及了人类的劳动行为，即人类为实现特定的目的而借助某种劳动来改造物质。材料定义中“有用”一词就限定了相应劳动行为的目的是为了把特定物质改造成具备某种实际使用功效的物件，而“有用”也指的是对人类有用。借助人类劳动的行为并实现对人类有用的目的是材料的基本属性；由此可见，材料是一个以人为本的概念，其主旨是在于为人类服务。 “材料”与“材料学科”：“材料”一词早已存在，其具体的日期不可考究，但“材料科学”的提出即在20世纪60年代，美国于1957年在一些大学成立了十余个材料科学研究中心，至此，“材料科学’这个名词便被广泛应用了。随后，1986年，英国的Pergmon 出版了《材料科学与工程百科》全书，其内对材料科学与工程的定义为：材料科学与工程就是研究有关材料的组成、结构、制备工艺流程与材料性能的用途的关系的产生及其运用。材料及材料科学，一个是原体，而另外一个是衍生题，其涉猎范围之广、涉及知识和人文面之大已经无法具体阐明，此处笔者仅作简要述介。 材料的分类：材料种类繁多，用途广泛，有不同的分类方法。依据材料的来源可以分
现代混凝土新品种，制造技术及其工程上的 应用研究综述 中文摘要： 作为现代混凝土新品种——高强、高性能轻集料混凝土其所具有的特性： 轻质、高强特征明显；高耐久性；多功能的特点鲜明；经济性显着。 对于高强、高性能轻集料混凝土在制造技术上，主要分为两方面的技术要求。一方面在进行轻集料混凝土的配合比设计时，需要同时考虑九个设计参数，分别为：试配强度、水泥品种及强度等级、水泥用量、用水量、砂率、轻集料的密度等级、粗细集料总体积、矿物掺合料、外加剂。另一方面就是在实际的配比方法上，有着较多的工艺需要考虑。例如，对于轻集料混凝土的制备可以细分为：轻集料预处理工艺和搅拌工艺；对于轻集料混凝土的施工可以细分为：拌和物的运输、泵送工艺、浇筑和振捣工艺、养护工艺；对于轻集料混凝土生产与施工的质量控制，又可以用不同的方法，分别对轻集料的质量控制和对轻集料混凝土的质量控制。 目前轻集料混凝土在工程上的应用，已经突显其优势。对于高层、桥梁、预制保温部件，都有着较好的效果。 关键词： 高强、高性能轻集料混凝土的特性制造技术工程应用 混凝土是由胶结材料（无机的、有机的或是无机有机复合的），颗粒状集料以及必要时加入的化学外加剂和矿物掺合料合理组成的混合料，经水化硬化后形成具有堆聚结构的复合材料。目前应用最广的是以水泥为胶结材料制成的混凝土。由于混凝土具有组成材料多样及其性能不同的特点，所以其分类及命名并没有明确的规定。 根据表观密度不同，可将混凝土分为重混凝土、普通混凝土，和轻混凝土。 重混凝土干表观密度大于2800 kg/m3，主要用于具有防辐射要求的原子能工程及具有抗冲磨要求的水工工程等。 普通混凝土干表观密度在2000～2800 kg/m3，主要用于各种承重结构，例如房屋、桥梁、道路工程中的路面等。 轻混凝土的干表观密度小于2000 kg/m3，可分为轻集料混凝土、多孔混凝土、加气混凝土、泡沫混凝土和大孔混凝土（无细骨料），可用做承重隔热构件或保温隔热材料。[1] 高强和高性能化是混凝土材料发展的主要方向。据预测，在今后的100年甚至更长的时间，混凝土仍然是我们这个世界最主要的工程材料，而高强和高性能混凝土将占主要地位。自19世纪初期人造轻集料开始工业化生产以来，轻集料混凝土一直在向高强化、高性能化的方向发展，高强与高性能混凝土技术的快速进步又极大的推动了高强与高性能轻集料混凝土的发展。 在此前提下，笔者就主要介绍现代轻混凝土中的高强与高性能轻集料混凝土。 高强轻集料混凝土的概念具有时代特征，随着时代前进，高强混凝土强度的底限在不断提高。混凝土的强度主要与水泥石的强度、集料强度、集料与水泥石之间界面的黏结强度有关。据报道，日本采用800级、最大粒径为15mm的高性能轻集料配制出干密度1880 kg/m3、28d抗压强度达到95Mpa的高强轻集料混凝土，采用堆积密度为900 kg/m3的高性能轻集料，甚至可以配制出表观密度为2070 kg/m3、抗压强度达140Mpa的超高强轻集料混凝土。 对于高性能混凝土，吴中伟院士提出以下定义：高性能混凝土是一种新型高技术混凝土，
半导体的热电效应及热电材料研究与应用 摘要：据半导体热电效应以及制冷原理进行了分析，并分析了提高半导体热电材料热电优值的方法介绍了当今国内外半导体热电材料研究和热电材料制冷方面的应用。 关键词：热电效应；半导体热电材料；塞贝克系数；电导率；热导率；热电优值，半导体制冷； 正文: 一．热电效应 把热能转换为电能的所谓热电效应的发现已有一个半世纪的历史，这是与温度梯度的存在有关的现象，其中最重要的是温差电现象。但是，由于金属的温差电动势很小，只是在用作测量温度的温差电偶方面得到了应用。半导体出现后，发现它能得到比金属大得多的温差电动势，在热能与电能的转换上，可以有较高的效率，因此，在温差发电、温差致冷方面获得了发展。由于温度梯度及电流同时存在时引起的一些现象——主要是塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。 （1）塞贝克效应 塞贝克（Seeback）效应，又称作第一热电效应，它是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。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。半导体的温差电动势较大，可用作温差发电器。 产生Seebeck效应的主要原因是热端的载流子往冷端扩散的结果。例如p型半导体，由于其热端空穴的浓度较高，则空穴便从高温端向低温端扩散；在开路情况下，就在p型半导体的两端形成空间电荷（热端有负电荷，冷端有正电荷），同时在半导体内部出现电场；当扩散作用与电场的漂移作用相互抵消时，即达到稳定状态，在半导体的两端就出现了由于温度梯度所引起的电动势——温差电动势。自然，p型半导体的温差电动势的方向是从低温端指向高温端（Seebeck系数为负），相反，n型半导体的温差电动势的方向是高温端指向低温端（Seebeck系数为正），因此利用温差电动势的方向即可判断半导体的导电类型。可见，在有温度差的半导体中，即存在电场，因此这时半导体的能带是倾斜的，并且其中的Fermi
2014级建筑工程技术专业《土木工程概论》课程 论文 土木工程的发展 专业班级：工程造价1402班 学生姓名：刘忱 学号： 143008120234 论文成绩： 评阅教师：刘立 2015年 1月 16日
土木工程的发展 摘要：土木工程师人类历史上年代久远的“技术科学”，作为一种系统的产业活动，土木工程的是指是生产的过程，是一种技术过程。随着社会的产生而产生，当今的土木工程已经得到了一定的发展，土木工程的发展应当与时俱进，去挖掘，去发现，去思考，去想象，去创新土木工程师不可缺少的存在形式。 关键词：土木工程起源发展 1、引言 土木工程在英语中称为“Civil Engineering”，直译是民用工程。它是建造各类工程设施的科学技术的总称。它既指工程建设的对象，既建在地上、地下、水中的各种工程设施，也指应用的材料、设备和进行勘测、设计、施工、保养、维修等技术。 土木工程随着人类社会的发展，至今已经演变为大型综合性学科。它的范围非常广泛，涵盖了关系到人类生存和发展的衣、食、住、行这四大基本要素。称为人们生活中必不可少的基础学科之一。 土木工程为国家经济发展和人民生活水平的提高提供了物质基础。因此，建筑业和房地产业成为许多国家的经济支柱之一。 2、土木工程的定义 土木工程是建造各类工程设施的科学技术的统称。它既指所应用的材料、设备和所进行的勘测、设计、施工、保养维修等技术活动；也指工程建设的对象，即建造在地上或地下、陆上或水中，直接或间接为人类生活、生产、军事、科研服务的各种工程设施，例如房屋、道路、铁路、运输管道、隧道、桥梁、运河、堤坝、港口、电站、飞机场、海洋平台、给水和排水以及防护工程等。土木工程对国家的经济建设和人民生活的影响非常明显和重要。土木工程密切关系到人类赖以生存和繁衍的四大基本要素：衣、食、住、行，为人类提供住宅、宾馆、公寓、衣料生产贮藏基地、食品冷库、公路、机场、铁路、港口、码头、厂房、实验室等现代人类生活和发展的必要场所空间。 3、土木工程历史的三次飞跃
智能混凝土的研究及进展综述 摘要：智能混凝土是随着人类科技发展而形成的一种智能化产物，是智能材料在工程领域应用的具体体现。本文阐述了智能混凝土的发展历史及研究现状，并展望了智能混凝土的发展方向。 关键词:智能混凝土；研究现状；展望 Abstract：Intelligent concrete is a intelligent product which formed with the development of the human’s technology, and it is the concrete reflection with the use of intelligent materials in the engineering. This paper elaborates the development history and the research status of the intelligent concrete, and prospects of development of intelligent concrete. Key words: Intelligent concrete；Research status; Prospect 1、前言 混凝土作为最主要的建筑材料已有近200年的历史，由于其具有抗压强度高、弹性模量大、耐久性和耐高温性能好、易改性、可塑性好、可以任意规模浇注等特点，得到了越来越广泛的应用。但随着现代航空、航天、电子、机械等高科技领域的飞速发展,人们对材料提出了越来越高的要求，传统的结构材料—混凝土，已经不能满足这些技术的要求，混凝土的发展由传统的单一的仅具有承载能力的结构材料，向多功能化、智能化的结构材料方向发展。而智能混凝土作为一种新型的智能材料，是混凝土发展方向中最突出的一个发展领域。 2、智能混凝土的发展及研究现状 所谓智能混凝土是指在混凝土原有的组分基础上复合智能型组分，使混凝土材料具有自感知和记忆、自适应、自修复等特性的多工程材料[1-2]。智能混凝土是智能材料的一个分支，是智能材料在土木工程中应用的具体体现。20世纪60年代，当时苏联学者首先采用碳黑导电组分尝试制备了水泥基复合导电材料，但当时并没有引起重视。直到20世纪80年代末，日本土木工程界的研究人员设想并着手研究高智能结构的所谓“对环境变化具有感知和控制功能”的智能材料及1993年美国科学基金会资助了土木工程智能材料与智能结构的研究。在上述两项重大研究计划的推动下，90年代初期，Dry和Chung[3]分别提出了自修复混凝
中国海洋大学本科生课程大纲 课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修 一、课程介绍 1.课程描述： 本课程是土木工程专业的一门专业基础必修课。其任务是使学生掌握土木工程中应用的主要材料的品种、规格、技术性能、适用范围。了解土木工程材料的生产、检验方法及储运知识。为学生了在结构工程设计中合理选材及合理施工准备材料方面的知识，为后续专业课程提供材料的基础知识。 2.设计思路： 通过课程讲授、课堂讨论、实验课等进行教与学； 通过完成作业、习题等提高对知识的掌握能力，在学习中发现问题，并应用知识解决问题； 通过教学实验平台、SITP项目、专业类竞赛活动以提高实际动手能力、发现问题及解决问题的能力。 在各阶段实习和实践活动中，强调系统思维和创新思维的重要性，在过程中培养创新意识，通过完成创新实践项目提高创新能力。 3. 课程与其他课程的关系 - 1 -
先修课程：大学物理II1。 二、课程目标 本课程的目标在于使学生掌握主要土木工程材料的性质、用途、制备和使用方法，以及检测和质量控制方法，并了解工程材料性质与材料结构的关系，以及性能改善的途径。通过本课程的学习，应能针对不同工程，合理选用材料，并能与后续课程密切配合，了解材料与设计、施工相互关系。 三、学习要求 要求学生掌握土木工程中常用材料的品种、规格性能及使用，了解材料在储运、验收中必须注意的有关问题；掌握常用土木材料的主要技术性质，了解材料的组成、结构、构造与性质的关系，以及原料、生产工艺过程及其对材料性质的影响；了解节约材料、改善性能及防护处理的原则和方法；了解主要常用土木材料的质量检验方法；了解土木材料发展方向。要达到以上学习任务，学生必须： （1）按时上课,上课认真听讲，积极参与课堂讨论、作业典型案例分析。 （2）保质保量的按时完成课下作业。 四、教学内容 - 1 -
热电空调项目 分析报告 一、项目背景 进入21 世纪以来，随着全球环境污染和能源危机的日益严重，以及对人类可持续发展的广泛关注，开发新型环保能源替代材料已越来越受到世界各国的重视。 1、能源短缺 随着全球工业化的进程，人类对能源消耗的需求不断增长，回顾近100 年能源工业的发展历史，可以清楚地看到，整个能源工业的消耗主要以化石类能源为主。人类正在消耗地球50 万年历史中积累的有限能源资源，煤和石油作为能源的载体，极大地解放了生产力，推动了全球工业化的进程，同时也向人类敲响了警钟：常规能源己面临枯竭。由于常规能源的有限性和分布的不均匀性，造成了世界上大部分国家能源供应不足，不能满足其经济发展的需要。从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020 年，天然气也只能延续到2040 年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。因此，如不尽早设法解决化石能源的替代能源，人类迟早将面临化石燃料枯竭的危机局面。 2、环境污染 当前由于燃烧煤、石油等化石燃料，仅我国每年就将有近百万吨C O 2、二氧化硫、氮氧化物等有害物质抛向天空，使大气环境遭到严重污染，导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。直接影响人类的身体健康和生活质量，严重污染水土资源。这些问题最终将迫使人们改变能源结构，依靠利用太阳能等可再生洁净能源来解决。 3、温室效应 化石能源的利用不仅造成环境污染，同时由于排放大量的温室气体而产生温室效应，引起全球气候变化。这一问题已提到全球的议事日程，其影响甚至已超过了对环境的污染，有关国际组织已召开多次会议，限制各国C O 2 等温室气体的排放量。 二、热电材料介绍 什么是热电材料呢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相互转换的功能材料。人们对热电材料的认识具有悠久的历史。1823年，德国人塞贝克（Seebeck）发现了材料两端的温差可以产生电压，也就是通常所说的温差电现象。1834年，法国钟表匠
螺旋输送装置的研究现状及未来发展的浅析论文 0引言 1887年，美国出现了第一台螺旋输送装置；此后，由于粮食、化工、冶金、码头等多种行业的需求，不断完善，逐渐研制出了多种系列的螺旋输送装置。该装置输送过程中能完成揉搓、压缩、搅拌、混合等处理，在实际生产过程中还能实现变频调速和准确控制输送量，是污泥、栅渣等的专用设备，同时也是喂料或卸料专用装置。 随着螺旋输送装置在多个行业中应用的普及，对其性能要求也越来越高。适用性强、可靠性高、节能环保、效率高、功耗低等特点己成为今后螺旋输送装置发展的主要方向。目前，国际上对螺旋输送装置的研究基本集中在应用先进的方法和计算机技术对传统装置进行理论分析并改进设计、对结构和参数进行优化、进一步修正经验公式、研发新产品及其用新的控制技术等。 1国内外螺旋输送装置的发展状况 1.1国外螺旋输送装置的发展状况 1.1.1理论分析方面 国外螺旋输送装置适用于多种流动性好的物料的中短距离的输送和提升，通常用来输送散装物料和干燥的固体颗粒，并能准确地控制输送量。有很多学者通过对水平和垂直螺旋输送装置的输送过程进行理论分析，对输送性能进行评估，并找出了影响因素及其因素之间的关系。其中，Chris等人研究了机器本身的结构参数对输送性能的影响。CLEARY等人研究了输送对象的特性对输送性能的影响。但是，设计过程中对螺旋输送装置的理论分析不够完善，对一些参数的计算仍根据经验公式来确定，导致机器在输送过程中出现生产率低、功耗大等问题。 1.1.2设计制造方面 国外研制的螺旋输送装置除了常规结构以外也根据不同的应用场合设计出的特种结构型：锥形直径螺旋、锥形轴及变螺距螺旋和锥形轴变螺距螺旋等。这些螺旋输送器由于结构复杂、制造成本高、功耗大，所以不适应生产需求，没有被广泛的应用，需要进一步完善。 除了以上提及的螺旋输送装置以外，把不同规格的水平螺旋输送机和垂直螺旋输送机组合起来形成一个卸船机系统。在国外，很早以前就开始对螺旋卸船机进行了研究，其中技术领先的公司有瑞典的Siwertell和Carlsen公司、意大利的VAM公司以及法国的IBAV 公司，单机卸船能力都能达到1000t/h以上，其中Siwertell公司研发的螺旋卸船机卸船能力达到了2 700t/h。
生命的启示 ——仿生材料的应用及发展 学号：1505024303 姓名：宫美梅 2016.6.5
生命的启示 ——仿生材料的应用及发展 革命导师马克思曾经说过：“自然界为劳动提供材料，劳动把材料变成财富。”材料是人类赖以生活和生产的物质基础，是人们用以作为物品的物质。生产技术的进步是和新材料的应用密切相关的，因为材料的好坏，直接影响着生产工具的优劣和产品的价值，所以人类总是不断地去寻找、发现新材料，以促进生产，改善物质和文化生活。而新材料的应用，不仅可以大大促进科学技术和生产的发展，也使人类的活动方式发生日新月异的变化。 自然界的创造力总是令人惊奇，天然生物材料经历几十亿年进化，大都具有最合理、最优化的宏观、细观、微观复合完美的结构，并具有自适应性和自愈合能力，如竹、木、骨骼和贝壳等。其组成简单，通过复杂结构的精细组合，从而具有许多独有的特点和最佳的综合性能。人类从自然界的生物身上得到启迪，从而设计出了更完美的材料和物件。 例1.人造纤维 最早开始研究并取得成功的仿生材料之一就是模仿天然纤维和人的皮肤的接触感而制造的人造纤维。对蚕或者蜘蛛吐出的丝,人类自古就有很大的兴趣,这些丝纯粹是由蛋白质构成,特别是蚕丝,具有温暖的触感和美丽的光泽。二十世纪以来,人们模仿蚕吐丝的过程研制了各种化学纤维的纺丝方法,此后又模仿生物纤维的吸湿性、透气性等服用性能研制了许多新型纤维,例如,牛奶蛋白质与丙烯晴共聚纤维(东洋纺) ,商品名为稀苤的高吸湿性纤维(旭化成) 等等。这些产品的出现显示了人类仿造生物纤维表面细微形态与内部构造取得了成功。另外人们还对蚕的产丝体进行了卓有成效的研究(日本农业生物资源研究所) ,并且对蜘蛛丝也进行了研究(日本岛根大学) ,研究者们期待着有朝一日能够制造出与蚕丝完全一样的人造丝。 例2.人鱼传说 在陆地上生活的动物有肺,能够分离空气中的氧气,水里的鱼有鳃,能够分离溶解在水中的氧气,供给身体使用。人们仿造这种特性,制作了薄膜材料,用于制造高浓度氧气、分离超纯水等,以达到节省能源以及高分离率的目的。目前人们正在研制具有动物肺和鱼鳃那样功能的材料,如果研制成功的话,人类在水底世界的活动将发生一场新的革命。
影响硬化混凝土的耐久性的因素及提高耐久性的研究 摘要：通过对影响混凝土的耐久性因素的分析，结合现在的施工经验，简述如何提高混凝土的耐久性措施。 关键词：耐久性碱—骨料反映腐蚀 混凝土耐久性问题，是指结构在所使用的环境下，由于内部原因或外部原因引起结构的长期演变，最终使混凝土丧失使用能力。即所为的耐久性失效，耐久性失效的原因很多，有抗冻失效，碱—骨料反应失效，化学腐蚀失效，钢筋锈蚀造成结构破坏等。造成混凝土耐久性不佳的原因多种多样，主要可分为：（1）物理破坏：由温度变化引起的收缩膨胀裂缝（这是由于混凝土内骨料和硬化水泥浆体不同的温度膨胀系数而引起），如冻融循环、除冰盐分对混凝土的剥蚀等：（2）化学破坏：由混凝土内部材料引起的碱骨料反应以及外部侵蚀性离子（Gl-）引起的诸如钢筋锈蚀、硫酸盐侵蚀（SO42-）以及碳化（CO2）等；（3）机械破坏：冲击、磨损、流动淡水溶蚀作用、流动气体的磨蚀、冲蚀等（如道路、水利混凝土）。下面作具体分析。 混凝土的冻融破坏结构处于冰点以下环境时，部分混凝土内孔隙中的水将结冰，产生体积膨胀，过冷的水发生迁移，形成各种压力，当压力达到一定程度时，导致混凝土的破坏。混凝土发生冻融破坏的最显著的特征是表面剥落，严重时可以露出石子。混凝土的抗冻性能与混凝土内部的孔结构和气泡含量多少密切相关。孔越少越小，破坏作用越小，封闭气泡越多，抗冻性越好。影响混凝土抗冻性的因素，除了孔结构和含气量外，还包括:混凝土的饱和度，水灰比，混凝土的龄期，集料的孔隙率及其间的含水率等。 混凝土的碱-集料反应混凝土的碱-集料反应，是指混凝土中的碱与集料中活性组分发生的化学反应，引起混凝土的膨胀，开裂，甚至破坏。因反应的因素在混凝土内部，其危害作用往往是不能根冶的，是混凝土工程中的一大隐患。许多国家因碱-集料反应不得不拆除大坝，桥梁，海堤和学校，造成巨大损失，国内工程中也有碱-集料反应损害的类似报道，一些立交桥，铁道轨枕等发生不同程度的膨胀破坏。混凝土碱-集料反应需具备三个条件，即有相当数量的碱，相应的活性集料，水份。反应通常有三种类型：碱-硅酸反应，碱-碳酸盐反应，慢膨胀型碱-硅酸盐反应，避免碱-集料反应的方法可采用：①尽量避免采用活性集料；②限制混凝土的碱含量；③掺用混合材。 化学侵蚀当混凝土结构处在有侵蚀性介质作用的环境时，会引起水泥石发生一系列化学，物理与物化变化，而逐步受到侵蚀，严重的使水泥石强度降低，以至破坏。常见的化学侵蚀可分为淡水腐蚀，一般酸性水腐蚀，碳酸腐蚀，硫酸盐腐蚀，镁盐腐蚀五类。淡水的冲刷，会溶解水泥石中的组分，使水泥石孔隙增加，密实度降低，从而进一步造成对水泥石的破坏;研究表明，当水泥石中的氧化钙溶出5%时，强度下降7%，当溶出24%时，强度下降29%，因此，淡水冲刷会对水工建筑有一定影响;而当水中溶有一些酸类时，水泥石就受到溶淅和化学溶解双重作用，腐蚀明显加速，这类侵蚀常发生在化工厂;碳酸对混凝土的影响主要为:在溶淅水泥石的同时，破坏混凝土内的碱环境，降低水泥水化产物的稳定性，影响水泥石的致密度，造成对混凝土的侵蚀;硫酸盐的腐蚀则表现为SO42-离子深入混凝土内与水泥组分反应，生成物体积膨胀开裂造成损坏；海水中由于存在多种离子，侵蚀形式较为复杂，但主要是由于镁盐使硬化水泥石的结构组分分解，同时硫酸盐作用会造成对水泥石的损坏，而氧化镁沉淀会堵塞混凝土孔隙，会使海水侵蚀有所缓和。 钢筋的锈蚀钢筋的锈蚀，其一表现为钢筋在外部介质作用下发生电化反应，逐步生成氢氧化铁等即铁锈，其体积比原金属增大2-4倍，造成混凝土顺筋裂缝，从而成为腐蚀介质渗入钢筋的通道，加快结构的损坏。氢氧化铁在强碱溶液中会形成稳定的保护层，阻止钢筋的锈蚀，但碱环境被破坏或减弱，则会造成钢筋的锈蚀，如混凝土的碳化或中性化。造成混凝土碳化和中性化的原因，主要是混凝土的密实度即抗渗性不足，酸性气体(如CO2，SO2，H2S，HCL，NO2)渗入混凝土内与氢氧化钙作用；其二，氯离子对钢筋表面钝化膜有特殊的破坏作用，当混凝土中氯含量超过标准时，钢筋会锈蚀，而水和氧的存在是钢筋被腐蚀的必要条件，因此，若混凝土开裂，造成水和氧的通道，则钢筋锈蚀加速，促成混凝土裂缝进一步开展，混凝土保护层剥落，最终使构件失去承载力。 使用方面的因素。有些旧建筑物已经使用好几十年了，已满足不了现代发展的使用要求，这些建筑物经常处于超负荷运转中，由于费用等因素的影响使用单位往往忽视对建筑物早期的防腐处理和必要的维修加固，缩短了建筑物的使用寿命。
热电材料 早在1823年德国的物理学家Thomas 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Heinrich Lens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. 在此后的100多年, 热电材料的研究主要是围绕金属材料进行的, 由于热电转换效率低, 所以有关热电材料及热电转换装置的研究和应用一直进展缓慢. 在20世纪50年代, Abram Ioffe发现, 半导体材料的热电转换效应比金属材料有数量级上的增强, 利用半导体热电材料有望实现温差发电和制冷的设想, 从而在全世界范围内掀起了研究热电材料的热潮, 这种研究热潮持续了数年之久, 研究和评估了大量的半导体材料, 并发现Bi-Te Sb-Te系半导体材料具有良好的热电特性[1]. 在此后的几十年, 由于半导体热电材料仍难以满足现实应用过程对热电转换和制冷效率的要求, 研究工作又处于低潮阶段. 直到90年代初期, 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. 近十年来, 材料科学的新进展, 如材料制备工艺及分析手段的多样化, 计算机模拟在材料科学中的应用, 新型先进材料的不断出现, 使得设计和制备新型 高性能高效率的热电材料的可能性逐渐增大. 目前, 围绕着一种称为声子玻璃电子晶体型热电材料(PGEC)的研究正在广泛展开[2]. 这类材料因具有晶体的导电性能和玻璃的导热性能而成为新一代前景广阔的热电材料. 从近年来在热电材料研究方面取得的进展, 美国科学家Terry. M. Tritt乐观地认为在未来几年内热电材料的研究将会有惊人的突破. §5.1热电效应和热电特性
****** 研究生姓名*** 学科（专业）结构工程 研究方向********* 指导教师********** 2014年10月26日填
选题报告须知 一、选题原则 （一）博士生： 1、应选择学科前沿，对科学技术进步有重要的理论意义或较大理论意义的课题，也可选择对国民经济发展有重要或较大理论意义或实用价值的课题。 2、课题具有很大的难度，便于作者做出创新性成果。 3、要有先进的科学实验或运算手段验证理论作保证。 4、要尽量结合导师的科研任务进行选题。 5、要广泛阅读文献资料，要对本学科及相关学科研究状况和最新进展有全面的了解，写出文献综述。 （二）硕士生： 1、应选择有较大的科学研究意义或有一定理论意义的课题，也可以选择对国民经济建设有较大实用价值或一定价值的课题。 2、课题要具有先进性，便于作者提出新见解。 3、课题要有一定的份量和难度，同时要考虑在一年内完成。 4、要对实验条件，计算手段有恰当的估计。 5、要尽量结合导师的科研任务进行选题。 6、要广泛阅读文献资料，了解本领域国内外学术研究动态，写出文献综述。 二、基本要求 1、查阅文献资料一般要：博士生中外文献限于近5年内50篇以上；硕士生30篇以上。 2、博士生通过选题报告后与论文答辩申请相隔期为1.5年，硕士生为1年。博士生要在省级以上科技情报所进行查新。 3、书写格式： （1）论文题目（或选题范围） （2）综述（国内外在这一领域已进行的工作及自己要进行的研究） （3）课题的实用价值或理论意义 （4）课题研究方案 （5）实验、试验设想 （6）所阅读的文献、资料 （7）论文工作安排
选题报告
工程导论结课论文 摘要：通过学习工程导论这门学科，自己对电子信息工程专业的理解及自我感悟 关键词：当今形势能力自我感悟 引言：当今世界 信息技术是衡量一个国家现代化水平的重要标志。我国把信息技术列为21世纪发展战略计划的首位。然而 信息技术的发展是需要电子信息工程作为强大支柱的。因此 电子信息工程专业也是现在热门的专业。 电子信息工程是一门应用计算机等现代化技术进行电子信息控制和信息处理的学科 主要研究信息的获取与处理 电子设备与信息系统的设计、开发、应用和集成。 随着社会的发展 电子行业的发展一日千里。现在 电子信息工程已经涵盖了社会的诸多方面 像电话交换局里怎么处理各种电话信号 手机是怎样传递我们的声音甚至图像的 我们周围的网络怎样传递数据等 甚至信息化时代军队的信息传递中如何保密等都要涉及电子信息工程的应用技术。我们可以通过一些基础知识的学习认识这些东西 并能够应用更先进的技术进行新产品的研究和使用。电子信息工程专业就是这样一个集现代电子技术、信息技术、通信技术于一体的专业。 我们专业主要的课程有 高等数学、线性代数、概率与统计、离散数学 大学物理 信号与系统、英语、电路分析、电子技术基础、C语言、Java基础设计、电子CAD、高频电子技术、电子测量技术、通信技术、自动检测技术、网络与办公自动化技术、多媒体技术、单片机技术、电子系统设计工艺、电子设计自动化 EDA 技术、数字信号处理 DSP 技术、操作系统 Linux 、微机原理等课程 单片机原理及应用 ARM嵌入式系统 自动控制 传感器技术与工程应用等。 我的理想是做一个电子信息工程 信号与信息的处理 专业的高级工程师。目前 我还没有学习电子信息工程 信号与信息的处理 专业的知识 但是 我会利用好课余时间提前学好有关的专业知识 以备设计电子作品时使用。社会需要的是有一定科研能力和创新能力的电子信息工程学科高级专业人才 同时 我的英语不是很好 这也是与社会需求的差距。 所以 我必须更加努力 让自己具有以下几方面的知识和能力： 1 具有较扎实的自然科学基础 较好的人文、艺术和社会科学基础 以及正确运用本国语言、文字的表达能力 2 较系统地掌握本专业领域宽广的技术基础理论知识 3 系统地掌握信息的获取、传递、处理及利用等方面的知识和技能 4 具有电子线路与系统的分析、设计、开发、集成及应用等方面的基本能力 5 掌握文献检索、资料查询的基本方法 了解电子信息科学技术的发展动态 6 具有较强的自学能力和创新意识 7 掌握英语 能阅读本专业英文书籍 并有一定的英语口头和书面交流能力。 未来的发展重点是电子信息产品制造业、软件产业和集成电路等产业 新兴通信业务如数据通信、多媒体、互联网、电话信息服务、手机短信等业务也将迅速扩展 值得关注的还有文化科技产业 如网络游戏等。目前 信息技术支持人才需求中排除技术故障、设备和顾客服务、硬件和软件安装以及配置更新和系统操作、监视与维修等四类人才最为短缺。此外电子商务和互动媒体、数据库开发和软件工程方面的需求量也非常大。 随着社会信息化的深入 各行业大都需要电子信息工程专业人才 而且薪金很高。我们