簡(jiǎn)述熱電材料（Ⅲ）

時(shí)間：2017-06-12作者：淮安市磐巖新能源科技有限公司瀏覽：78

磐巖（）的小編今天繼續(xù)介紹的是熱電材料。
 
熱電效應(yīng)本身是可逆的。如果把楞次實(shí)驗(yàn)中的直流電源換成燈泡，當(dāng)我們向結(jié)點(diǎn)供給熱量，燈泡便會(huì)亮起來(lái)。盡管當(dāng)時(shí)的科學(xué)界對(duì)佩爾捷和楞次的發(fā)現(xiàn)十分重視，但發(fā)現(xiàn)并沒有很快轉(zhuǎn)化為應(yīng)用。這是因?yàn)?，金屬的熱電轉(zhuǎn)換效率通常很低。直到20世紀(jì)50年代，一些具有優(yōu)良熱電轉(zhuǎn)換性能的半導(dǎo)體材料被發(fā)現(xiàn)，熱電技術(shù)(熱電制冷和熱電發(fā)電)的研究才成為一個(gè)熱門課題。
目前，在室溫附近使用的半導(dǎo)體制冷材料以碲化鉍(Bi2Te3)合金為基礎(chǔ)。通過(guò)摻雜制成P型和N型半導(dǎo)體。如前所述，將一個(gè)P型柱和一個(gè)N型柱用金屬板連接起來(lái)，便構(gòu)成了半導(dǎo)體制冷器的一個(gè)基本單元，如果在結(jié)點(diǎn)處的電流方向是從N型柱流向P型柱，則結(jié)點(diǎn)將成為制冷單元的“冷頭”(溫度為Tc)，而與直流電源連接的兩個(gè)頭將是制冷單元的“熱端”(溫度為Th)。
N型半導(dǎo)體的費(fèi)米能級(jí)EF位于禁帶的上部，P型的則位于禁帶的下部。當(dāng)二者連接在一起時(shí)，它們的費(fèi)米能級(jí)趨于“持平”。于是，當(dāng)電流從N型流向P型時(shí)(也就是空穴從N到P:電子從P到N)，載流子的能量便會(huì)升高。因此，結(jié)點(diǎn)作為冷頭就會(huì)從Tc端吸熱，產(chǎn)生制冷效果。
佩爾捷系數(shù)，其中是單位時(shí)間內(nèi)在結(jié)點(diǎn)處吸收的熱量，I是電流強(qiáng)度，Π的物理意義是，單位電荷在越過(guò)結(jié)點(diǎn)時(shí)的能量差。在熱電材料研究中，較容易測(cè)量的一個(gè)相關(guān)參數(shù)是澤貝克(Seebeck)系數(shù)α，，其中T是溫度。顯然，α描述單位電荷在越過(guò)結(jié)點(diǎn)時(shí)的熵差。
對(duì)于制冷應(yīng)用來(lái)說(shuō)，初看起來(lái)，電流越大越好，佩爾捷系數(shù)(或澤貝克系數(shù))越大越好。不幸的是，實(shí)際非本征半導(dǎo)體的性質(zhì)決定了二者不可兼得：電流大要求電導(dǎo)率σ高，而σ和α都是載流子濃度的函數(shù)。隨著載流子濃度的增加，σ呈上升趨勢(shì)，而α則下跌，結(jié)果ασ只可能在一個(gè)特定的載流子濃度下達(dá)到較大(注：由熱激活產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)本征載流子，對(duì)提高熱電效益不起作用)。
半導(dǎo)體制冷單元的P型柱和N型柱，都跨接在Tc和Th之間。這就要求它們具有大的熱阻。否則，將會(huì)加大Tc和Th間的漏熱熵增，從而抵消從Tc端吸熱同時(shí)向Th端放熱的制冷效果。較終決定熱電材料性能優(yōu)劣的是組合參數(shù)，其中K是材料的熱導(dǎo)率。參數(shù)Z和溫度T的乘積ZT無(wú)量綱，它在評(píng)價(jià)材料時(shí)較常用。目前，性能較佳的熱電材料，其ZT值大約是1。0。為要使熱電設(shè)備與傳統(tǒng)的制冷或發(fā)電設(shè)備競(jìng)爭(zhēng)，ZT值應(yīng)該大于2。
Glen Slack把上述要求歸納為“電子-晶體和聲子-玻璃”。也就是說(shuō)，好的熱電材料應(yīng)該具有晶體那樣的高電導(dǎo)和玻璃那樣的低熱導(dǎo)。在長(zhǎng)程有序的晶體中，電子以布洛赫波的方式運(yùn)動(dòng)。剛性離子實(shí)點(diǎn)陣不會(huì)使傳導(dǎo)電子的運(yùn)動(dòng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。電阻的產(chǎn)生來(lái)源于電子同雜質(zhì)、晶格缺陷以及熱聲子的碰撞。因此，在完善的晶體中σ可以很大。
半導(dǎo)體中的熱導(dǎo)包含兩方面的貢獻(xiàn)：其一由載流子(假定是電子)的定向運(yùn)動(dòng)引起的(Ke):其二是由于聲子平衡分布集團(tuán)的定向運(yùn)動(dòng)(Kp)。根據(jù)維德曼-弗蘭茲定律，Ke∝σ。人們不可能在要求大σ的同時(shí)，還要求小的Ke。減小熱導(dǎo)的潛力在于減小Kp，它與晶格的有序程度密切相關(guān)：在長(zhǎng)程有序的晶體中，熱阻只能來(lái)源于三聲子倒逆(umklapp)過(guò)程和缺陷、邊界散射:在非晶態(tài)玻璃結(jié)構(gòu)中，晶格無(wú)序大大限制了聲子的平均自由程，從而添加了對(duì)聲子的散射機(jī)制。因此，“聲子-玻璃”的熱導(dǎo)率K可以很低。
以無(wú)量綱優(yōu)值系數(shù)ZT來(lái)衡量熱電材料：BiSb系列適用于50—150K溫區(qū)；Bi2Te3系列適用于250—500K:PbTe系列適用于500—800K;SiGe系列適用于1100—1300K。低溫?zé)犭娖骷?T≤220K)主要用于冷卻計(jì)算機(jī)芯片和紅外探測(cè)器。高溫?zé)犭娫O(shè)備可將太陽(yáng)能和核能轉(zhuǎn)化成電能，主要用于航天探測(cè)器和海上漂浮無(wú)人監(jiān)測(cè)站的供電。較近，氟里昂制冷劑的禁用，為半導(dǎo)體制冷的發(fā)展提供了新的契機(jī)。1998年秋季在美國(guó)波士頓召開的材料研究學(xué)會(huì)(MRS)學(xué)術(shù)會(huì)議上，熱電材料研究再一次成為討論的熱點(diǎn)。
Brian Sales等研究了一類新型熱電材料，叫作填隙方鈷礦銻化物(filled skutterudite antimonides)。未填隙時(shí)，材料的化學(xué)式是CoSb3(或Co4Sb12)。晶體中每個(gè)Co4Sb12結(jié)構(gòu)單元包含一個(gè)尺寸較大的籠形孔洞。如果將稀土原子(例如La)填入籠形孔洞，則化學(xué)式變?yōu)長(zhǎng)aCo4Sb12。由于La原子處于相對(duì)寬松的空間內(nèi)，它的振動(dòng)幅值也較大。于是，在LaCo4Sb12中，Co4Sb12剛性骨架為材料的高電導(dǎo)提供了基礎(chǔ)，而稀土La在籠中的振動(dòng)加強(qiáng)了對(duì)聲子的散射——減小了材料的熱導(dǎo)。B.Sales的工作朝著“電子-晶體和聲子-玻璃”的方向邁出了第一步。
高壓(～2GPa)技術(shù)已經(jīng)被用于改進(jìn)熱電材料的性能。如果在高壓下觀察到了母材料性能的改善，人們將可以通過(guò)化學(xué)摻雜的辦法獲得類似的結(jié)構(gòu)，并將它用于常壓條件下。
ZrNiSn的σ和α都很高，但它的熱導(dǎo)率K并不低?；蛟S可以通過(guò)加入*4或*5組元，增強(qiáng)對(duì)聲子的“質(zhì)量漲落散射”，達(dá)到減小熱導(dǎo)的目的。
準(zhǔn)晶的結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，具有“聲子-玻璃”的性能。有關(guān)研究的重點(diǎn)是改善準(zhǔn)晶的導(dǎo)電性能。
將納米金屬(Ag)嵌入導(dǎo)電聚合物，當(dāng)電流流過(guò)這種復(fù)合材料時(shí)，可以產(chǎn)生大的溫度梯度。對(duì)此，還沒有理論上的解釋。
有兩種低維熱電材料具有應(yīng)用前景：CsBi4Te6實(shí)際上就是填隙的Bi2Te3；硒(Se)摻雜的HfTe5，在T<220K的溫區(qū)，其澤貝克系數(shù)α遠(yuǎn)遠(yuǎn)**出了Bi2Te3。
此外，薄膜、人工**晶格、納米碳管、Bi納米線和**阱系統(tǒng)、類貓眼結(jié)構(gòu)等都展現(xiàn)出了在改進(jìn)熱電材料性能方面的潛力。


淮安市磐巖新能源科技有限公司專注于硅膠加熱器,油桶加熱帶,烤杯機(jī)加熱,硅膠加熱板,專業(yè)廠家,江蘇磐巖等

• 詞條

  詞條說(shuō)明

• 高分子電熱膜介紹與應(yīng)用說(shuō)明（Ⅹ）

  磐巖（）的小編今天帶來(lái)的是高分子電熱膜介紹與應(yīng)用說(shuō)明。 六、幾種供暖方式的比較 電熱地采暖 系統(tǒng) 電 鍋 爐 燃油鍋爐 燃?xì)忮仩t 燃煤鍋爐 熱效率（％） 99%以上 95 80 80 55~65 設(shè)備單價(jià) 較高 較高 適中 適中 較低 一 次 性 投 資 費(fèi) 用 設(shè) 備 及 安 裝費(fèi) （元 /m2 ） 100～150 60 42 48 20 管 道 及 散 熱器 （

• 詳解電熱膜及其發(fā)展（八）——我國(guó)電熱膜發(fā)展概況

  接上回，磐巖（）的小編繼續(xù)給大家介紹電熱膜。 國(guó)外電熱膜發(fā)展概況 電熱膜在國(guó)外的技術(shù)研發(fā)和工業(yè)化生產(chǎn)始于上世紀(jì)70年代后半期。 電熱膜引入我國(guó)是在上世紀(jì)90年代末，隨著十幾年的不斷發(fā)展壯大，使我國(guó)成為了名副其實(shí)的電熱膜應(yīng)用大國(guó)。 據(jù)《中國(guó)建設(shè)報(bào)》08年盤點(diǎn)活動(dòng)初步統(tǒng)計(jì)，我國(guó)電熱膜供暖應(yīng)用的總面積約為2000萬(wàn)平方米，**過(guò)世界其他所有國(guó)家應(yīng)用面積的總和。但是與國(guó)內(nèi)其他

• 關(guān)于柔性電熱膜應(yīng)用于軟體工程的說(shuō)明（上）

  磐巖（）今天帶來(lái)柔性電熱膜應(yīng)用于軟體工程的說(shuō)明。 柔性電熱膜系電熱膜家族中的復(fù)合型發(fā)熱材料，國(guó)內(nèi)對(duì)此類材料的研制始于80年代末，經(jīng)過(guò)多年的開發(fā)，探索和應(yīng)用，制作工藝逐漸成熟，元件化和組件水平提高，應(yīng)用面隨之拓寬，替代部分金屬電熱絲已成現(xiàn)實(shí)。特別是在低電壓下的能量轉(zhuǎn)換，顯示出*特的優(yōu)越性?，F(xiàn)就柔性電熱膜的特性、元件化及其組合、相關(guān)配件及應(yīng)用范圍，簡(jiǎn)述如下。 一、秉性電

• 金屬陶瓷鋁板PTC電加熱（Ⅰ）

  磐巖()的小編今天給大家總結(jié)一下金屬陶瓷鋁板PTC電加熱相關(guān)知識(shí)點(diǎn)。 空調(diào)器使用電輔熱的原因 一般來(lái)說(shuō)，天氣寒冷嚴(yán)重影響空調(diào)制冷制熱功能的正常發(fā)揮，很多消費(fèi)者盡管使用空調(diào)多年，但大多不知道其正常運(yùn)作溫度一般為-5℃—40℃。給室外機(jī)除霜也是空調(diào)的一項(xiàng)‘任務(wù)’，這也是導(dǎo)致空調(diào)難以持續(xù)供熱的一個(gè)原因。當(dāng)室內(nèi)機(jī)制熱時(shí)，室外機(jī)同步制冷；如果室外溫度很低，空調(diào)的室外部分較易出