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          首页 第4章 热电材料(完整)

          第4章 热电材料(完整).ppt

          第4章 热电材料(完整)

          简介:本文档为《第4章 热电材料(完整)ppt》,可适用于财会税务领域

          LOGOYOURSITEHERE热电材料YOURSITEHEREPPT大纲热电材料的未来发展YOURSITEHERE热电材料热电材料就是把热转变为电的材料。主要包括温差电动势材料热电导材料和热释电材料三大类。§温差电动势材料§热电导材料§热释电材料温差电动势材料一、温差电动势效应(温差热电效应)(一)赛贝克效应由两种不同的导体(或半导体)A、B组成的闭合回路当两接点保持在不同温度TT时回?#20998;?#23558;有电流I通过此回路称为热电回路。回?#20998;?#20986;现的电流称为热电流。回?#20998;?#30340;电动势EAB称为赛贝克电动势。此效应称为赛贝克效应即在具有温度梯度的样品两端会出现电压降。该效应成为了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。如图-所示。图-赛贝克效应热回?#20998;?#23384;在的热电动势为EAB。如图-(b)所示将回路断开在断开处a、b间便出现电势差?V=Vab=VbVaSAB为材料A和B的赛贝克系数。SAB=SASBSA、SB为材料A、B的赛贝克系数EAB=SAB?T?V与两接点间的温差?T有关。当?T很小时?V与?T成正比关系。定义?V对?T的微分热电动势为(二)温差电热效应在热电回?#20998;?#19982;两接点间的温度差所引起的赛贝克电动势相反通电时在回?#20998;?#20250;引起两种热效应珀尔帖和汤?#36153;?#28909;效应。前者出现在电极的两个接头处后者发生在两个电极上。、珀尔帖热效应当直流电通过由两种不同导电材料所构成的回路时接点上将产生吸放热现象改变电流方向吸放热也随之反向该效应称之为珀尔帖效应。年HeinrichLens发现将一滴水置于铋和锑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所谓的制冷效应。在热电回路的两个接头处当电流I流过时将发生可逆的热效应即有?QП的吸收或释放其大小与电流I和流通的时间?t成正比?QП=ПABI?t式中:I为通电的电流强度ПAB为导体A和B的珀尔帖系数其大小等于接点处通过单位电荷时吸收(或释放)的热量。ПAB的符号放热为负吸热为正。ПAB=ПA-ПB式中:ПA、ПB分别为导体A、B的珀尔帖系数。由于珀尔帖效应会使回?#20998;?#19968;个接头发热一个接?#20998;?#20919;。?#23548;?#19978;是赛贝克效应的逆效应。、汤?#36153;?#28909;效应若电流通过有温度梯度的导体在导体和周围环?#25345;?#38388;将进?#24515;?#37327;?#25442;?#35813;效应称为汤?#36153;?#25928;应。在热电回?#20998;?#27969;过电流I时在存在温度梯度dTdx的导体上也将出现可逆的热效应是放热还是吸热依温度梯度和电流的方向而定热效应?QT的大小与电流I、温度梯度dTdx和通电流的时间?t成正比即式中μ称为汤?#36153;?#31995;数其代表单位电荷通过单位温度梯度时所吸收(或释放)的热量。这种可逆的温差电热效应是汤?#36153;反?#29702;论上预言的。汤?#36153;?#23558;两种温差电热效应的系数与温差热电效应的赛贝克系数联系起来得?#25945;濫费?#20851;系式ПAB≈TSAB或(三)接点介质温差效应用半导体和两种不同金属连接成一个回路(半导体在两金属中间)并使半导体温度大于介质温度即可产生电动势。这也是一种温差效应。三、温差电动势材料的种类、合金常用的有铜镍、镍铬、镍铝、铂铑、金铁。、半导体合金碲化铋、硒化铋、碲化锑、锑化铅?#21462;!?#21270;合物氧化物、硫化物、氮化物、硼化物和硅化物。四、温差电动势材料的应用温差电动势材料主要应用在两个方面:一是用作热电偶材料制作热电偶用于测温这方面应用的材料主要是高纯金属和合金材料二是制作热器件用来发电或做致冷器这类器件所用的材料主要是高掺?#24433;?#23548;体材料。热电导材料热电导材料又称热敏材料?#23548;?#19978;是温敏材料。一、热电导效应当温度升高时材料的σ发生较大变化的一类材料称为热电导材料。二、热电导材料的特征值、电导率的温度系数它是热电导材料的重要?#38382;?#30005;导率的温度系数?#21147;?#34920;示式为、耗散系数H式中:P为热敏材料中耗散的输入功率TT为热敏材料的温度T为周围介质的温?#21462;!?#21151;率灵敏度ε?#34203;紐?#30340;物理意义为?#26723;?#28909;敏材料内的电阻率的所需的功率值。、灵敏阈值灵敏阈值是可测出电阻变化的最小(热值)功。数量?#23545;赪左右。三、热电导材料的种类、正温度系数热电导材料其特点是温度增高电导?#35797;?#21152;。、负温度系数热电导材料其特点是温度增高电导?#24335;档汀?#22235;、热电导材料的应用热电导材料可以作热敏电阻?#28909;?#25935;元件红外探测器元件。热电导半导体材料可以作半导体热敏器件、半导体热敏传感器。热释电材料一、热释电效应热释电效应是指当某些晶体受温度变化影响时由于自发极化的相应变化而在晶体的一定方向上产生表面电荷。这一效应称为热释电效应。热释电效应反映了晶体的电量与温度之间的关系可用下式简单表示?PS=p?T式中:?PS为自发极化强度差p为热释电系数?T为温度差。由此可见晶体中存在热释电效应的前提是具有自发极化也就是说晶体结构的某些方向的正负电荷重心不重合故存在固有电矩。因此具有对称中心的晶体将不可能具有热释电效应在这点上它与压电晶体是一致的。但是压电晶体不一定都具有自发极化。而晶体结构中存在着与其他极轴不相同的唯一极轴(极化轴)时这样才有可能因膨胀而引起总电矩的变化即出现热电导效应。所谓热释电效应是指热释电材料受到热辐射后晶体自发极化强度PS随温度变化而变化(其变化系数dPSdT)因此其表面电荷也发生变化。如果在晶体两端连接一负载RS则会产生电位差?V就称为热释电效应。热释电位差?V和电流I二、热释电材料的特征值、热释电系数反映了热释电材料受到热辐射后产生自发极化随温度变化的大小。故热释电系数越大越好。、吸热流量Φ它代表单位时间吸热的多少热释电材料的Φ要大。、居里点或矫顽场对铁氧体类热释电材料居里点或矫顽场要大。三、热释电材料的种类热释电材料有晶体和有机高聚物晶体两大类。四、热释电材料的应用热释电材料主要用作热释电探测器。热释电材料的种类热释电材料有热释电晶体和高聚物晶体两大类。晶体在个点群中也就是在类晶体对称类型中有类对称型的晶体有热释电效应。它可分为单晶或陶瓷。这些热释电晶体又可分成两类:具有自发极化但自发极化不能为外电场所转向的晶体如电石、CaS、CaSe、LiSO·H、ZnO等通常称它们为热释电晶体自发极化可以为外电场所转向的晶体即铁电晶体如TGS(硫酸三甘肽)、LiNbO、PbTiO、BaTiO?#21462;?#32463;过强直流电场的极化处理后能从各向同性体变成各向异性体。有机高聚物晶体聚偏二氟乙烯(PVDF)?#28909;?#37322;电材料其优点是可制成大面积且制造工艺简单价格低廉PVDF厚度越小.热释电系数越大。这类热释电材料一般作成μm厚的薄膜使用。热释电材料的应用热释电材料可作热释电探测器使用。其中锆钛酸铅(Pb(Zr,Ti)O)陶瓷材料由于改性减少了热滞显示了良好的热释电?#38405;?#24050;制成了单个探测器和矩阵在红外探测和热?#19978;?#31995;统中得到应用。YOURSITEHERE年Seebeck发现赛贝克效应年Peltier发现珀耳帖效应热可以制电同时电反过来?#26448;?#36716;变成热或者用来制冷热电材料的发展历程YOURSITEHEREYOURSITEHERE赛贝克效应实验现象当两种不同的导体联接构成闭合回路?#21307;?#28857;两端处于不同温度时在接点两端出现电压降在回?#20998;?#20135;生电流的现象意义这一效应成为实现将热能直接转换为电能的理论基础图为实现热电转化模式的简单示意图YOURSITEHEREYOURSITEHERE帕尔帖效应实验现象当电流I通过由两种不同导体联结构成的回路时在两接点处吸收和放出热量的现象。意义这一效应成为实?#20013;?#27010;念型制冷机械的理论基础。图为实现制冷模式的简单示意图YOURSITEHEREYOURSITEHERE定义一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能进行转换的功能材料。分类按材料分:铁电类、半导体、聚合物工作温度:高温(≥℃)、中温(℃)、低(℃~℃)发展动态:非氧化物半导体、氧化物、低维热电材料、准晶材料热电材料的定义及分类YOURSITEHEREYOURSITEHERE中温热电材料事例?#30423;?#26448;料应用范围适宜温度BiTe碲化铋及其合金热电制冷器材料<℃PbTe碲化铅及其合金热电产生器材料约℃SiGe硅锗合金热电产生器约℃YOURSITEHERE*YOURSITEHERE材料体积小无排弃物污染不需要传动部件?#38405;?#21487;靠寿命长热电材料的优点YOURSITEHEREYOURSITEHERE热电材料的制备BiTe材料的制备机械合金法热压法溶剂热法放电等离?#30001;战?#27861;热?#36153;?#27861;YOURSITEHERE*YOURSITEHERE粉末的冷焊和断裂达到动态平衡粉末尺寸、成分趋于均?#28982;?#20854;硬度亦达到饱和值。层片复?#38386;?#25104;等轴状复合?#24085;?帕?#20869;部层片取向多样化厚度不断减小、细化。冷焊占主导地位粉末平均尺寸变大?#24085;?#25968;减小。粉末混合发生变形发生冷焊。MA过程粉末形状及组织变化YOURSITEHEREYOURSITEHERE按目标比例配置原料称量原料粉末原料放入球磨罐转速为rmh取粉干燥保存?#38405;?#26816;测抽真空充Ar气冷却(行星球磨机)MA法制备BiTe流程YOURSITEHEREYOURSITEHERE制备法比较名称原理优点缺点热压法材料合金化制成粉末热压成块体消除解理缺陷提高材料力学?#38405;?#26230;粒取向不同各向异性?#38405;躍PS法加?#20849;?#30636;间加大电流?#24085;?#38388;放电材料迅速升温?#25112;?#26448;料?#26053;?#26102;间短容易控制晶粒尺寸和取向热?#36153;?#27861;加热时?#36153;?#21464;形产生大量缺陷、导致热导?#24335;档?#33719;得很高的?#26053;芏取?#33391;好的机械?#38405;?#28342;剂热法材料的合成在溶剂中进行在常压下溶剂将沸腾或剧?#19968;?#21457;反应温度高密封耐压容器进行YOURSITEHERE**这些缺陷将对载流子和声子产生散射?#26723;?#28909;导率。YOURSITEHERE研究动态全世界环境污染和能?#27425;?#26426;日益?#29616;?发达国家利用热电材料制成的制冷和发电系统成为材料科学的研究热点年代初期近十年来材料科学的新进展,如材料制备工艺及分析手段多样化,计算机模拟在材料中应用,使设计和制?#24863;?#22411;高?#38405;?#39640;效率的热电材料逐渐增大YOURSITEHEREYOURSITEHERE热电材料国外进展日本研究出β相ZnSb的构造。准备使用它将汽?#28404;财?#25152;含热量、工厂余热转化为电力。美国正研究一种声子玻璃电子晶体型热电材料(PGEC)。日本德国开发出半导体制冷冰箱可做成便携式。利用太阳能工作、解决了传统冰箱对环境的破坏问题。瑞典北部利用烧柴取暖炉所产生的热量来发电并替代昂贵的汽油马达发电机。YOURSITEHEREYOURSITEHERE热电材料国内进展中国科学院固体物理研?#20811;?#21512;成铋锑超晶格纳米线薛方红博士采用电化学和调制脉冲电沉积方法成功地制备出了铋锑超晶格纳米线阵列得到了结构可控的调制纳米线。该方法简单?#39029;?#21151;率高有望应用到其他体系?#23567;OURSITEHEREYOURSITEHERE热电研究目标以及途径热电优值的优化目前热电材料的优值系数ZT只达到左右如果能够将ZT值提高到那热电装置的热电转换效?#24335;?#20250;接近于理想卡诺机因而ZT值的优化就成为研究的目标。途?#23545;?#37327;子理论及能带理论的指导下在更大范围内寻求更高ZT值的新材料另一方面是进一步改善材料的显微结构以求最大限度发掘现有材料的?#38405;堋OURSITEHEREYOURSITEHERE热电材料的应用制冷与发电医疗氧化物YOURSITEHEREYOURSITEHERE热电材料制冷上的运用制冷原理:利用热电效应中的帕尔帖效应达到制冷目的。P型半导体多数载流子为空穴其空穴电流方向与电子相反。N型半导体的多数载流子为电子。半导体热点单元制冷原理图YOURSITEHEREYOURSITEHERE热电材料的制冷在半导体材料硅或锗晶体中不同价元素构成不同。掺入三价元素杂质构成缺壳粒的P型半导体掺入五价元素杂质构成多余壳粒的N形半导体。“多子?#34180;ⅰ?#23569;子”多子:在N型半导体中自由电子是多数载流?#30001;?#23376;:空穴为小数载流子而在P型中则相反。YOURSITEHEREYOURSITEHEREA能量→N电子势能AP空穴结点PA能量→P空穴势能结点B空穴P势能放出N电子A结点N结点B电子势能放出电场作用下过程解析YOURSITEHERE**P型半导体的多数载流子为空穴其空穴电流方向与电子相反。而空穴在金属中所具?#24515;?#37327;低于在P型半导体中所具有的能量。因此空穴在电场的作用下由金属片A通过结点到达P型半导体时必须增加一部分能量。但是空穴自身无法增加能量只有从金属片A处吸收能量并且把这部分热能转变成空穴的势能因而使金属片A处的温度?#26723;汀?#32780;当空穴沿P型半导体经结点流向金属片B时由于P型半导体中空穴能量大于金属B中空穴的能量因而空穴要释放出多余的势能并且将其转变为热能释放出来则使金属片B处温度升高。图中右半部分是由N型半导体与金属片A和金属片B相连。N型半导体的多数载流子为电子而电子在金属中的势能低于在N型半导体中所具有的势能。在电场的作用下电子从金属片A通过结点到达N型半导体时必然要增加势能而这部分势能只能从金属片A处取得结果金属片A处的温度必然会?#26723;汀?#32780;当电子从N型半导体经结点流向金属片B时因电子由势能高处流向势能低处因此在金属B处释放能量使之转变为热能释放出来则使金属片B处温度升高。YOURSITEHERE热电材料发电原理与热电材料的制冷工作原理相反。当热电的结点受热时P型中进行空穴的能量传递N型中进行电子传递能量最后在两极处出现电?#20849;睢OURSITEHEREYOURSITEHERE周期添燃料和有氧时采用化石或碳氢燃料做热源结构简单坚固耐用无运动部件无噪声能开发自身供能的电源系统热电材料发电特点无需照料YOURSITEHEREYOURSITEHERE热电材料发电的运用放射性同位素供热的热电发电器是太空探测器目前惟一的供电系?#22330;?#24180;美国热电发电机应用于卫星上开创?#25628;?#21046;长效远距离、无人维护的热电发电站的?#24405;?#20803;。年,美国发射的旅行者(voyager)飞船中安装了个热电发电器,长达亿装置时(devicehours)后没有一个报废。YOURSITEHEREYOURSITEHERE温差电半导体材料在发电和制冷方面的领域YOURSITEHEREYOURSITEHERE热电材料的应用半导体制冷?#25628;?#31665;制冷和制热抗震性强重量轻适?#38386;?#24102;无污染。冷敷仪采用半导体制冷技术为制冷源制造的冷敷仪可在min内从室温?#26723;?#21040;℃而且连续运转并保?#20540;?#28201;?#26723;?#25252;理人员的工作量。冷冻切片机冷冻速度快、温度低操作简单方便切片速度快切片质量高?#21462;?#21628;吸机半导体制冷气泵体积小、结构简单、无噪声冷凝速度快冷凝效率高等广泛应用于高档呼吸机气泵?#23567;?#20363;如西门子一C呼吸机。Nd:YAG激光?#36136;?#22120;半导体制冷技术的Nd:YAG激光?#36136;?#22120;体积小、重量轻、使用方便、连续工作时间长等还具有完善的温控报警装置YOURSITEHEREYOURSITEHERE氧化物热电材料特点一般特征无毒、无污染、结构简单、易于微小化和?#38405;?#21487;靠独特特征独特特征成本低:原料价格低廉且来源广泛制备简单耐高温、不易氧化稳定的化学结构、无毒、无辐射。YOURSITEHEREYOURSITEHERE氧化物热电材料的应用层状金属氧化物由于具有二维晶体体结构其Seebeck系数很高而声子热导率非常低是一种极具开发前景的热电材料。钙钦矿型复合氧化物具有优异的铁电压电介电和热释电?#38405;鼙还?#27867;用于制造随机存取存储器、压电传感器、热释电传感器阵列和电容器?#21462;?#20302;维氧化物热电材料日?#23601;?#20135;省工?#23548;际?#38498;大阪工?#23548;际?#30740;?#20811;?#24320;发出了热电转换效?#39135;?#36807;~的P型热电氧化物。YOURSITEHEREYOURSITEHERE低维化途径拓宽应用温?#30830;?#22260;优化载流?#20248;?#24230;梯度化YOURSITEHEREYOURSITEHERE热电微型器件的发展背景:近年来移动通信和笔记本计算机等信息技术不断发展笔记本电脑等移动体电器不?#38386;?#22411;化和高功能化使得电源冷却系统和分散性?#24179;?#31995;统的热电器件也不断的向微型化发展这为热电材料的应用开辟了一个新的领域。YOURSITEHEREYOURSITEHERE热电转换技术定义:热电转换技术是一种利用半导体材料实现热能和电能直接相互转换的绿色能源得到世界许多国家的高度重视和大量投入。YOURSITEHEREYOURSITEHERE热电转换技术运用:日本利用这项技术建立了W级垃圾燃烧余热发电示范系统取得了良好的?#23548;市?#26524;。美国公司开发了多种热电发电系统均已投入使用如在大型货运卡车上安装W级的废热发电系统为汽车提供辅助电源?#21462;OURSITEHEREYOURSITEHERE热电转换技术发展?#32431;?#28909;电转换技术正伴随着现代科学技术不断进步的步伐在逐渐走进我们的生活。热电饮水机、热电冰箱和热电空调都已经出现并且在逐步推广。举例热电冰箱不需要制冷剂和压缩机只要提供一个直流电源就能够制冷。和传统制冷设备相?#30830;?#37324;?#26680;?#24102;来的环境问题迎刃而解。YOURSITEHEREYOURSITEHERE热电材料其他方面的应用生长在?#38408;?#20999;割衬底上薄膜的新的应用最新高密度?#20598;?#24405;材料FePt薄膜的开发小型发电系统和制冷系统电子和光电子元器件的冷切和恒温光通讯二极管和红外线传感器的调温系统军事移动能源以及卫?#24378;?#38388;站上的发电系统等YOURSITEHEREYOURSITEHERE目前热电发展国外情况:氧化物热电材料的研究已拓展到废热发电、低功率电源等领域的实用阶段。国内情况:中国科学院上海硅酸盐研?#20811;?#28165;华大学、华东理工大学等单位已在基础和应用研究方面展开合作并取得了初步的成果。目前由于氧化物热电材料本身的热电?#38405;?#19981;高使得材料的?#23548;视?#29992;受到了限制。所以提高现有材料的?#20998;?#22240;子或寻找具有高?#20998;?#22240;子的新材料是当务之?#34180;OURSITEHEREYOURSITEHERE未来发展趋势由于氧化物热电材料与合金热电材料良好的?#38405;?#20248;点在高温工业领域的应用潜力很大。随着我国国民经济的迅速发展能源环境问题日益突出热电材料由于其在低品位能源利用以及环境保护方面的特殊功能必将成为我国新材料和绿色能源研究领域的热点。YOURSITEHERE****这些缺陷将对载流子和声子产生散射?#26723;?#28909;导率。**P型半导体的多数载流子为空穴其空穴电流方向与电子相反。而空穴在金属中所具?#24515;?#37327;低于在P型半导体中所具有的能量。因此空穴在电场的作用下由金属片A通过结点到达P型半导体时必须增加一部分能量。但是空穴自身无法增加能量只有从金属片A处吸收能量并且把这部分热能转变成空穴的势能因而使金属片A处的温度?#26723;汀?#32780;当空穴沿P型半导体经结点流向金属片B时由于P型半导体中空穴能量大于金属B中空穴的能量因而空穴要释放出多余的势能并且将其转变为热能释放出来则使金属片B处温度升高。图中右半部分是由N型半导体与金属片A和金属片B相连。N型半导体的多数载流子为电子而电子在金属中的势能低于在N型半导体中所具有的势能。在电场的作用下电子从金属片A通过结点到达N型半导体时必然要增加势能而这部分势能只能从金属片A处取得结果金属片A处的温度必然会?#26723;汀?#32780;当电子从N型半导体经结点流向金属片B时因电子由势能高处流向势能低处因此在金属B处释放能量使之转变为热能释放出来则使金属片B处温度升高。

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