【精品课件】材料的热电性质

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热电材料的热电性能研究与应用

热电材料的热电性能研究与应用随着科技的不断进步，热电材料作为一种新型新兴材料，开始被广泛研究和应用。热电材料的热电性能是热电材料最重要的性能指标之一，对于热电材料的研究和应用具有非常重要的意义。本文将围绕热电材料的热电性能展开论述，主要内容包括热电材料的基础知识、热电材料的分类、热电材料的热电性能及其测试方法、热电材料的应用研究进展和未来发展趋势。

一、热电材料的基础知识

所谓热电效应，是指在两个不同材料之间，当其中一种材料处在温差场中，就会产生电压，这种现象就是热电效应。热电材料是一类具备热电效应的材料，其中最常见的是热电元件。热电元件是将两种不同材料连接在一起，形成一个电路的元件。热电材料的应用领域很广泛，包括热能转换、温度检测、温度控制等方面。

二、热电材料的分类

根据热电材料的性质、成分和应用，可以将其分为多种不同的类型。其中最常见的有：

1. 半导体热电材料：半导体热电材料是目前最常见的一种热电材料。这种材料的基本结构是一个p型半导体和一个n型半导体相连，两个半导体的接触面就是电极。半导体热电材料的工作原

理是在温差条件下，由于p型半导体和n型半导体结构不同，会出现电子在两个半导体之间的漂移现象，进而产生热电效应。

2. 金属热电材料：金属热电材料是指由金属和合金组成的热电材料。这种材料的热电效应主要是由于金属中的自由电子和热运动产生的电荷移动引起的。金属热电材料的优点是工作温度高、热电性能优越、稳定性好等。

3. 聚合物热电材料：聚合物热电材料是近年来新兴的一种热电材料。这种材料的优点是柔性好、制备过程简单、成本低等。聚合物热电材料常用于温度监测、人体温度检测等领域。

第三章热电性能分析

• 现象：
电流方向与电势方向一致放热，反之吸热。 I 吸热 ++++ ---E
放热
++++ ---E
• 解释：
接触电势电子加速而放热；反之吸热。
• 用途：
金属热电偶的Peltir 效应小，半导体热电 + 偶的Peltir效应大，制冷温差可达150℃之多，尤其对小容量制冷相当优越，适用于各种小型恒温器适合于无声，无污染，无干扰等特殊场合。如宇航飞行器，人造卫星，红外线探测器等冷却装置上。
热电子效应
• 电子分布（逸出功） • 应用：电子管，X-射线管，阴极射线管等
• 不同金属由于其电子逸出功和自由电子密度不同，热电势也不相同。纯金属热电势的排序(后者更负)： Si,Sb, Fe, Mo, Cd, W, Au, Ag, Zn, Rh, Ir, Ti, Cs, Ta, Sn, Pb, Mg, Al, Hg, Pt, Na, Pd, K, Ni, Co, Bi。在两根不同金属丝间串联另一种金属，只要串联金属两端的温度相同，则回路中产生的总热电势只与原有两种金属的性质有关，而与串联入的中间金属无关。形成半导体性质的化合物时，共价结合增强，会使热电势显著增强
1200
t/˚C
2). 马氏体转变是无扩散转变，即钢的微观成分没有变化，但由于结构不同，热电性有较大的差别。如Ni30%合金钢，奥氏体: E=3.6 μV/℃；马氏体: E=34.4 μV/℃.

第十章材料的电学性能

第五节电介质的介质损耗
三影响材料介质损耗因素
1 对漏导（电导）损耗的影响介质损耗温度的升高，介质的电导率增大与频率无关 2 对极化损耗的影响快极化无损耗缓慢极化产生损耗（1）频率影响频率很低时介质损耗为零损耗随着频率的增大而增大频率很高时仅由起始电导率决定损耗
第五节电介质的介质损耗
第六节绝缘材料的抗电强度
二击穿形式 1 电击穿电过程（1）“雪崩”电击穿理论强电场→自由电子→撞击介质内的离子→ 新的电子—次级电子→撞击出第三级电子 “电子潮” 电击穿往往是瞬息完成的（2）电击穿的主要特征击穿场强较高在一定温度范围内击穿场强变化不大（3）能带理论解释击穿现象
第六节绝缘材料的抗电强度
电子和空穴导电 B表示材料的电导活化能应用热敏温度计、电路温度补偿器
二光敏效应
电阻明显下降光电导产生光电导的条件光敏电阻器
第三节
三压敏效应
半导体导电性的敏感效应
1 电压敏感效应压敏电阻器压敏电阻器的灵敏性 2 压力敏感效应电阻率发生改变压阻效应和应力的关系
四磁敏效应
1 霍尔效应 2 磁阻效应
第十章材料的电学性能
第一节第二节第三节第四节第五节第六节导电性能热电性能半导体导电性的敏感效应介质极化与介电性能电介质的介质损耗绝缘材料的抗电强度

第一章材料的热学性能

热性能的物理本质：晶格热振动
根据牛顿第二定律，一维简谐振动方程为：
式中： = 微观弹性模量，
= 质点质量，
= 质点在x方向上位移。
晶胞中每个质点所处的环境不同，β不同，每个质点在热振动时都有一定的振动频率，N个不同质点，就有N个频率组合在一起。温度升高时，动能加大，振幅和频率均加大。各质点热运动时，动能的总和为物体的热量。
所供给的热量除了用于物体内能增加外，还对外做功。
(3)比热容
质量为1Kg的物质在没有相变和化学反应条件下升高1K所需的热量。它与物质的本性有关，通常用小写的英文字母c表示，单位为 J/(kg.K)。
(4)摩尔热容
质量为1mol的物质在没有相变和化学反应条件下升高1K所需的热量。它与物质的本性有关，通常用大写的英文字母Cm 表示，单位为 J/(mol.K)。
（3) 亚稳态组织转变
组织转变不可逆。如不发生相变，热容和温度呈线性关系；如发生相变，热容偏离直线。亚稳态（热量高）向稳态（热量低）转变要放热，导致热容下降
1.2.5 热容与比热容的测量
1、量热计法 2、撒克司法 3、斯密特法 4、热分析测定法
1、量热计法
根据试样的温度T和量热计量终的温度Tf，由试样转移到量热计介质中的热量Q，以及试样的质量m，可求出比热容：
振动”。
原胞的质心保持不动，由此也可以定性的看出，光学波代表原胞中两个原子的相对振动。如离子晶体中正负离子间的相对振动。

热电材料的性能和应用

热电材料，是指能够将热能转化为电能或将电能转化为热能的

材料。它们具有独特的物理和化学性质，广泛应用于各种能源转

换和热管理的领域。本文将介绍热电材料的性能和应用。

一、热电效应

热电效应是指在温差存在时，电子的热运动会导致电子在晶格

中发生漂移，从而引起电势差的发生。热电效应具有两种基本形式：Seebeck效应和Peltier效应。Seebeck效应是指温差作用下，

不同金属之间导电体系中的自由电子的运动由于热力学变化而产

生的电势差。Peltier效应是指二类不同金属之间导电体系，在交

替通强通弱电流的作用下，会产生热量和冷量。两种效应可以通

过热电材料进行转换。

二、热电材料的性能

热电材料的性能取决于热电系数、电导率和热导率。热电系数

是指材料在温差作用下，单位温差引起的电势差与温度差的比值。高热电系数材料能够产生更高的电压。电导率是指在单位长度下，单位时间内，材料内导电电子通过的电流量。热导率是指单位时

间内从单位面积内的材料中传导热量。在热电材料中，要同时优化热电系数和电导率，以获得较高的热电性能。

三、热电材料的应用

1.能源转换

热电材料是一种重要的新能源转换材料。随着能源的日益紧缺和对环境保护的要求，热电材料在利用自然界的低品位能源方面发挥着重要作用。如太阳能发电系统，通过将光能转化为热能，在热电材料的作用下将其转化为电能。另外，一些小型电子设备采用热电模块进行能量捕获，以延长电池寿命。

2.热管理

随着电子设备尺寸不断缩小，散热问题越来越成为影响设备性能和寿命的瓶颈。热电材料被广泛应用于热管理领域。其原理是通过Peltier效应，将热量从热源处转移到冷源处，从而实现热管理。热电制冷器件在微电子学、制冷设备等领域具有广泛应用。

材料性能学第十章--材料的电学性能

第一节导电性能
量子力学证明，对于一个绝对纯的理想的完整晶体，0 K时，电子波的传播不受阻碍，形成无阻传播，电阻为零，导致所谓的超导现象。
二、导电机理
1、金属及半导体的导电机理
第一节导电性能
实际金属内部存在着缺陷和杂质。缺陷和杂质产生的静态点阵畸变和热振动引起的动态点阵畸变，对电磁波造成散射，这是金属产生电阻的原因。由此导出的电导率为：
二、导电机理
2、无机非金属导电机理
(1)离子晶体的导电机理离子晶体中空位的迁移，涉及离子运动
第一节导电性能
晶体的离子电导可以分为两类：第一类离子固有电导或本征电导（热缺陷）
第二类杂质电导（杂质的数量和种类）
低温下，离子晶体的电导主要由杂质载流子浓度决定。存在的多种载流子时，材料的总电导率是各种电导率的总和。
分为：空穴导电与电子导电本征导电：电子导电和空穴导电
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
Ge
+4
+4
Si
+4
+4
硅、锗原子的结构
空穴
可以认为空穴是一种带正电荷的粒子。空穴运动的实质是共有电子依次填补空位的运动。
+4
+4
+4
+4
自由电子束缚电子
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。

11第十一章半导体的热电性质介绍

第十一章

半导体的热电性质

前言

所谓热电效应，即指把热能转换为电能的过程。

半导体具有比金属大得多的温差电动势，也就是说，在热能与电能的转换过程中，半导体具有较高的转换效率。

半导体的热电性质已在温差发电、半导体制冷等方面得到了广泛的应用。

前言

半导体的热电效应与金属材料的热电效应一样，主要有：塞贝克效应（德国物理学家，1821年发现）

铂耳贴效应（法国物理学家，1834年发现）

汤姆孙效应（英国物理学家，1852年发现）

第十一章

Part 1

11.1 热电效应

11.2 半导体的热导率

一、塞贝克效应

在如图所示的结构中，n 型半导体的两端与同一种金属接触，并保持有温度差△T ，此时回路中便有电流产生，该电流称为温差电流，产生该电流的电动势称为温差电动势。这种由于两端存在温度差而产生电动势的现象称为塞贝克效应

。

11.1热电效应

一、塞贝克效应

对于 n 型半导体材料来说，电子浓度 n 0 由掺杂控制，并随温度的上升按指数规律增大。即

因此，半导体高温端的电子浓度大于低温端的电子浓度，在半导体材料内产生了电子浓度梯度。所以，电子就由高温端（即高电子浓度端）向低温端（即低电子浓度端）扩散，并在低温端积累有净的负电荷，高温端则由于电子离开而积累有净的正电荷，在半导体中产生电场，电场方向沿电子浓度梯度的反方向，即由高温端指向低温端。这个电场的存在必将引起电子沿着与扩散方向相反的方向作漂移运动。当漂移和扩散达到动态平衡时，即在半导体两端产生一稳定的电动势 V s ，即温差电动势，其方向高温端为正，低温端为负。

《材料物理性能lec》课件

磁性与温度
磁畴是材料内部自发磁化的区域，不同磁畴的磁矩方向不同。
磁畴定义
磁畴的形状、大小和分布与材料的晶体结构和温度等因素有关。
磁畴结构
当外磁场施加于材料时，磁畴的磁矩会转向外磁场方向，材料表现出宏观的磁化现象。
磁化过程
存储技术
随着技术的发展，高密度磁记录和磁存储技术不断涌现，如垂直记录和热辅助记录等。
04
03
02
CHAPTER
材料物理性能概述
材料物理性能是指材料在原子、分子层次上表现出的物理特性，如电学、热学、光学、磁学等。
定义
金属材料、无机非金属材料、高分子材料等。
分类
材料物理性能决定了材料在各种环境下的行为表现，是材料科学和工程领域的重要研究内容。
能源、电子、通信、航空航天、生物医疗等领域。
应用
重要性
发展历程
从古代陶瓷、金属冶炼到现代纳米材料、复合材料等，材料物理性能的研究不断深入和发展。
趋势
随着科技的不断进步，新型材料的研发和应用将更加广泛，材料物理性能的研究将更加深入和精细化。
03
CHAPTER
材料的力学性能
材料在受到外力作用时发生形变，当外力去除后能迅速恢复原状的性质。
弹性
介电性是描述电介质在电场作用下极化并储存电场能的能力。
介电性是电介质所特有的属性，与导电性不同。电介质在电场作用下会产生极化现象，使得电介质内部的正负电荷中心发生相对位移，从而在电介质内部形成电偶极子。介电常数是描述电介质介电性能的重要参数，其值取决于材料的种类和温度。

第6章材料的热学性质

35
2.材料热膨胀
• 利用Boltzmann 分布，各个质点平均位移
因此，温度增加，原子偏离0K 的振动中心平衡距离增大，物体宏观上膨胀了。
36
2.材料热膨胀
2.1热膨胀系数
• 平均线膨胀系数：
• 平均体膨胀系数：某一温度点的膨胀系数：
常用膨胀系数
• 线膨胀系数物理定义：
• 体膨胀系数物理定义：
18
1.材料热容
6.2德拜温度
• 由定义知，德拜温度：其中wm 可由经验公式求出 • 如果认为在熔点TM 时, 原子振幅达到使晶格破坏的数值, 这时 wm和熔点之间存在着如下关系：
M 是相对原子质量； V 是原子体积； TM ( K ) 为熔点。
则：
19
1.材料热容
• 德拜温度是反映原子间结合力的又一重要物理量； • 不同材料其ΘD 不同：熔点高，即材料原子间结合力强，ΘD 便高，尤其是相对原子质量小的金属更为突出； • 选用高温材料时，ΘD 也是考虑的参数之一； • ΘD 可以由不同方法求出：如按熔点计算，也可以从热容计算。
则最大频率：
13
1.材料热容
• 可以证明频率分布函数为：其中，
wl 为纵波频率, wt 为横波频率。
• 具有频率为w的振子的平均能量：
• 晶体振动能量：
14
1.材料热容

材料的电学性能.PPT

② 临界磁场Hc ：T＜ Tc时，将超导体放入磁场中，若H＞Hc，则磁力线穿入超导体，超导体被破坏而成为正常态。 Hc是破坏超导态的最小磁场。
.
15
超导电性的三个重要性能指标：
③ 临界电流密度Jc ：如果输入电流所产生的磁场与外磁场之和超过临界磁场，则超导态被破坏，此时输入的电流为临界电流。 H增加， Jc 必须相应地减小，以使磁场总和不超过Hc 而保持超导态。 Jc 是材料保持超导态的最大输入电流密度。
满带：一个允带所有的能级都被电子填满的能带。
.
9
导体：允带内的能级未被填满，允带之间没有禁带或允带相互重叠，图a、b、c；在外电场的作用下电子很容易从一个能级转到另一个能级而产生电流；具有这种能带结构的材料称为导体。所有金属都属于导体。
.
10
绝缘体：一个满带上面相邻的是一个较宽的禁带，图d，由于满带中的电子没有活动的余地，即使禁带上面的能带完全是空的，在外电场的作用下电子也很难跳过禁带，即不能产生电流。
禁带：能隙的存在意味着禁止电子具有A和B与C和D之间的能量，能隙所对应的能带。
允带：电子可以具有的能级所组成的能带。
允带与禁带相互交替，形成了材料的能带结构。
.
8
(3)能带理论空能级指允带中未被电子填满的能级。
导带：具有空能级的允带中的电子是自由的，在外电场作用下参与导电，这样的允带称为导带。

《材料的热电性质》课件

新型热电材料的设计与合成
新型热电材料的设计与合成是提高热电性能的重要途径，研究者通过理论计算和实验验证相结合的方法，探索具有优异热电性能的新型材料。
新型热电材料的设计涉及到能带结构、载流子输运特性、声子散射机制等多个方面，需要综合考虑材料的物理、化学和力学性能。
合成方法是新型热电材料设计与制备的关键环节，研究者采用多种合成技术，如化学气相沉积、溶胶凝胶法、模板法等，实现新型热电材料的可控制备。
详细描述
金属类热电材料是一种传统的热电材料，其优点在于具有较高的热电性能，能够实现高效的热电转换。常见的金属类热电材料包括铜、镍、铁等。
半导体热电材料
总结词
具有较高的热电转换效率，广泛应用于温差发电和散热技术。
详细描述
半导体热电材料是一种重要的热电材料，由于其优异的热电性能，被广泛应用于温差发电和散热技术。常见的半导体热电材料包括硅、锗、硒等。
皮尔兹系数的值越大，表示材料在热电转换过程中能够吸收或释放的热量越多，制冷或制热效果越明显。
皮尔兹系数的测量方法是在热电材料两端施加电流，测量由此产生的温差，从而计算出皮尔兹系数。
热导率与电导率
热导率（Thermal Conductivity）是衡量材料导热性能的参数，表示材料在单位时间内通过单位面积的热量。
热电效应的应用
热电材料可以用于温差发电、温度传感器、红外探测器等领域。

第三章材料的电学性能——材料物理性能课件PPT

❖ 从原子中分离出来的外层电子成为自由电子； ❖ 自由电子的性质与理想气体中的分子相似，形成自由电
子气； ❖ 在电场作用下，大量自由电子的定向漂移形成电流。 ❖ 在自由电子定向运动过程中，不断与正离子碰撞，形成
电阻。
金属中的离子与自由电子示意图
++ ++ ++ ++ ++
+ +++ + +++ + + ++ + + ++ + + ++
作为太阳能电池的半导体对其导电性能的要求更高，以追求尽可能高的太阳能利用效率。
电学性能包括：导电性能、超导电性、介电性、铁电性、热电性、接触电性、磁电性、光电性。
本章主要讨论材料产生电学性能的机理，影响材料电学性能的因素，测量材料各类电学性能参数的方法以及不同电学性能材料的应用等。
3.1 金属的导电性
❖ 运动着的电子作为物质波，其频率和波长与电子的运动速度或动量之间有如下关系：
❖ 一价金属中自由电子的动能：E=mv2/2
表征金属中自由电子可能具有的能量状态的参数
h2
8 2m 为常数
K 2
称为波数频率
不加电场时E-K关系曲线

第七章木材的热电性质ppt课件

从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。
6 声强级：声音的强度进行比较时用声强级，
一个声音的声强级是指将它的强度与听阈的强度相比之后再取其常用对数的10倍，即 β=10log10I/I0 (dB) 式中： β—强度为I的声音用分贝表示的强度级(dB) ； I—声强度（ w/cm2 ）； I0—听阈强度，为1×10-16 w/cm2 。
第四节木材的空间声学性质
一基本概念木材的声学性质包括声在木材中的传递，声波的
阻力以及用于建筑物的音响效果。 1 声：一般指的是听觉对空气振动所产生的反应。 2 音调：耳朵对频率的反应。 3 声强：单位时间内通过垂直于声波传播方向上单位面积的功率。 4 响度：耳朵对不同声压和强度的反应所产生的感觉。 5 听阈：人耳平均听到的最微弱的声音强度，在 1000H时是W/。
四热膨胀五木材的耐热性和热分解六热对木材材质的影响
从使用情况来看，闭胸式的使用比较广泛。敞开式盾构之中有挤压式盾构、全部敞开式盾构，但在近些年的城市地下工程施工中已很少使用，在此不再说明。
第二节
木材的电学性质
一木材的直流电传导 Baidu Nhomakorabea一）电阻率和电导率

合金材料的热电性质研究

热电效应是指在某种温度差下，物质内部会产生电场；反过来，在电场作用下，物质内部也会产生温度差的现象。这种效应可以

应用于热电材料的制造，也能够从事红外线摄像仪、半导体激光

器工业等多个领域，其实的应用可谓是相当广泛。其中合金材料

的热电性质研究尤为重要。

合金材料的热电性质主要包括热电力学性质和载流子输运性质

两个方面。热电力学性质是指在温度差下，合金材料自身能够产

生的电压，也就是“热电势差”的大小。载流子输运性质则是指在

外加热梯度下，合金材料质子的输运能力，包括载流子浓度、迁

移率以及电阻率等等。

对于合金材料的热电力学性质的研究，需要从热平衡定律入手。以常用的Nernst-Ettingshausen效应为例，温差将会引起载流子的

不均匀分布，因此也就会引起电势的产生。此外，还有常用的Seebeck效应，该效应主要是因为材料在温差下会引起自由载流子

的不均匀分布，因而能够产生热电势差。

但是，尽管热电效应看起来十分古老的理论和技术，至今仍有

很多问题有待解决，例如热电材料的效率并不高，稳定性也不佳。因此，寻找新型合金材料成为了当前热点的研究方向之一。

在合金材料的载流子输运性质方面的研究，主要是关注于理解

有关自由载流子的传输，同时也关心有关非自由载流子漂移过程、材料微观结构与热电性能的关系等问题。例如，近年来有许多学

者从纳米材料的设计入手，创新地对合金材料的微观结构和与之

相应的热电性质进行了研究，产生了很多具有新型化学结构和特

殊电学性质的纳米材料，促进了热电材料的发展。

热电材料的研究一直都备受重视，我们一直在探索材料以及其