热电材料的研究进展与应用

热电材料的发展与应用

热电效应是指当材料处于温度差异作用下，由于电子的布朗运动而产生的电活动。这种效应被称为热电效应，而能够利用热电效应产生电力的材料被称为热电材料。热电材料的发展与应用一直是科技领域中的热门话题。本文将从热电材料的基本原理、发展历程及应用进行论述。

热电材料的基本原理

热电效应基本原理可以通过“铂热电偶”来讲解。铂热电偶由两种不同的金属——铂(Pt)和铑(Rh)组成，其中一端处于高温源，另一端处于低温源，两端间存在温度差。这样，金属中的氧化物离子扮演了重要角色。当两端间的温差推动了氧化物离子从低温区域向高温区域扩散时，由于金属中存在的自由电子，氧化物在金属中被还原，释放出免费的电子。这些免费的电子可以在两个金属之间形成电流。

热电材料的发展历程

热电材料的发展始于19世纪初期，试图将热转化成其它形式的能源。当时，铁和铜中的热电效应被发现。不过，由于热电转化的效率太低，缺乏实际应用。到了20世纪50年代，硒化铋(Bi2Se3)和硒化铟(In2Se3)等基础热电材料被发现并得到应用。这些材料的热电系数和载流子浓度相对较高，使得它们的热电转化效率得到提高。

21世纪初期，灵敏度、稳定性和效率是热电材料在制备过程中需要解决的主要技术难点。新型的材料研究和优化加工工艺为热电材料的实际应用提供了新的可能性。如：钙钛矿氧化物PbTe和CsSnI3。由于p型半导体中电子约束本身对晶体保持稳定，所以热电材料的稳定性非常重要。近年来，石墨烯、纳米材料和自旋电子学等方面的研究，也为热电材料的性质调控和制备奠定了重要基础。

热电材料的应用

由于热电材料可以将热能直接转化成电能，不需要传统发电方式中的机械部分，因此热电材料被广泛应用于一些特定领域。此外，热电材料也因其环境友好、高效等优点而引起了广泛的关注。

军事领域：军用装备常常需要长时间工作在相对严酷的自然环境中，如红外线感应枪瞄具、无人机等，其热电系统可以极大地减少对外部能源的依赖，提高装备在恶劣环境下的稳定性和可靠性。

热电材料的研究与应用

热电材料是一种特殊的材料，它可以将温度差异转换为电能或将电能转换为温度差异。这种能力使热电材料被广泛应用于电力、航空航天、医疗、环保等领域。近年来，热电材料的研究和应用越来越受到关注，成为材料科学研究的一个重要方向。

一、 热电材料的特性及分类

热电材料具有很强的特殊性质，主要表现在两个方面：

1. 温度差效应：热电材料可以将温度差异转换为电能。

2. 热电功效：热电材料可以将电能转换为温差效应，即在电流通过热电材料时产生温度变化。

根据材料的结构和性质，热电材料可以分为有机、无机和有机-无机复合材料三类。无机热电材料主要包括铋锑合金、硫化物系列、氧化物系列等，而有机热电材料主要包括聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸苯酯等。有机-无机复合材料一般是有机基体中掺杂无机颗粒，如聚吡咯烷和Mg2Si的复合材料等。

二、 热电材料的应用

1. 电源制备方面：热电材料可以利用温差效应来制备微型电源，并可通过热电致冷等技术来提高微型电源的效能和使用寿命。

2. 芯片散热方面：利用热电材料的温差效应可以较好地协助进行芯片散热。目前热电材料在计算机CPU等芯片散热设计中已经有了实际应用。

3. 冷热机制冷方面：热电材料可以作为制冷制热的材料，实现高效的能源转换。

4. 航空航天方面：热电材料可以作为核电动力航天器和太阳能动力航天器的高效转换器。在火星探测和深空探测等领域中，热电材料还有着很大的应用潜力。 5. 医学领域：热电材料可以作为一种创新的医疗设备，如热电生物反应器等，用于医疗或疗效监测。

三、 热电材料的研究进展

热电材料的发展离不开对其理论和实验研究的深入探讨。当前热电材料的研究重点主要集中在三方面：

1. 新型热电材料的发掘：通过合成、制备和掺杂等手段，研究发现了许多新型材料，如有机材料OTFTs、SrTiO3等，在未来热电材料的发展中将发挥重要作用。

2. 热电材料的性能优化：一方面是通过控温、压力等技术手段来改变其晶体结构，调控材料的电子传输性能以提高其热电性能；另一方面是通过优化电子输运过程，利用多层结构、制备纳米晶等手段提高其热电系数。

科技日报/2004年/08月/30日/

热电材料及其应用

热电材料是一种将“热”和“电”直接转换的

功能材料。其工作原理是固体在不同温度下具

有不同的电子(或空穴)激发特征,当热电材料

两端存在温差时,材料两端电子或空穴激发数

量的差异将形成电势差(电压)。

人们对热电材料的认识具有悠久的历史

。

1823年德国人T.Seebeck发现了材料两端的温差可以产生电压(通常称:温差电现象)。

1834年法国人J.C.A.Peltier在法国王宫演示了温差电现象的“逆效应”:通电使一端制冷而

另一端发热(通常称:Peltier效应)。

热电材料也具有长久的研究历史。20世

纪上半叶对热电材料的研究奠定了近代半导体

学科的基础。国内外半导体研究领域的许多著

名学者都是在上世纪五十年代后期开始从热电

材料转向以硅为代表的微电子半导体材料研究

的。

热电材料的主要应用主要包括:温差发电,半导体制冷,以及作为传感器和温度控制器在

微电子器件和MEMS中的应用等。

在温差发电方面的应用领域包括:

1)特殊场合使用的电源。例如:放射性同位素温差发电器(Radioiso2

topeThermoelectricGener鄄ators,简称RTG)。美国NASA从Apollo飞船至Pioneer、Voyager、

Galileo和Ulysses,已在20多个航天器上使用

RTG作为电源。在俄罗斯,有1000余个类似的RTG装置用于北极圈附近的海洋灯塔,具

有免维护运行20年设计寿命。另外,利用燃油

或木材等燃烧热的小型发电装置,可以为边远

地区、野战小部队等提供小功率电源。

2)在工业余热、废热和低品位热温差发电方面的潜在应用。美国能源部(DOE)于2003年11月12日公布一个“工业废热温差发电用先进热电材料”资助项目,主要应用对象是利用

冶金炉等工业高温炉的废热发电以降低能耗。

今年3月又发布了项目指南,计划开展汽车发

动机余热温差发电的研究。欧洲20余个研究

机构也已联合进行了汽车发动机余热发电方面

󰃖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Thomson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=ΑabdTΑab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:

dQp=ΠabIabdtΠab为Peltier系数,当电流由a流向b,Iab取