热电材料

3、热释电材料
• 热释电效应(pyroelectric effect ,1756年， 德国科学家Franz Ulrich Theodor Aepinus ) 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问的关系：
材料种类
温差电动势材料的种类 合金：常用的热电极材料中，合金类占很大 比例
• 半导体合金
化合物：氧化物、硫化物、氮化物、硼化物和硅 化物。
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：一方面制作热电偶用 于测温，这方面应用的材料主要是高纯金属和合金材料；另 一方面热电转换材料（可制作温差电堆），用来发电或做致 冷器，这类器件所用的材料主要是高掺杂半导体材料。
• 热电偶材料：热电偶种类很多，已研制的组合 热电偶材料近300种，已经标准化的15种，工 业上广泛应用的8种，有相应标推代号。
• 常用的热电偶的类别
热电偶类别 铂铑30－铂铑6 铂铑10－铂 镍铬－镍硅 镍铬－康铜 铂铑13-铂 代号 WRR WRP WRN WRE WRB 分度号 B S K E R 测温范围 0－1800℃ 0－1600℃ 0－1300℃ 0－800℃ 0-1600℃ 允许偏差限 ±0.25%t ±0.25%t ±0.75%t ±0.75%t ±0.25%t
热电发热电 利用塞贝克效应
热电致冷 利用帕尔贴效应
温差电(势)效率η
式中：
• 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。
效应名
效应内容 可逆性 应用 两种金属组成的回路，若接触点温 塞贝克效应 两种材料的接点 有 热电偶 度不同回路中产生电流 帕尔贴效应 两种材料的接点 汤姆逊效应 一种导体 均匀的温度分布，若回路中有电流 有 则接触部有吸热或放热 一种金属的两端有温度梯度时，若 有 有电流，就会有放热火吸热 帕尔贴器件
热电材料
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。 • 1、温差电动势材料 • （1）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T1, T2时，回路中将有电 流产生。此回路称热电回路。回路中出现的电流 称为热电流。回路中出现的电动势ΔEAB称为塞贝 克电动势。
• 热释电材料的种类 热释电材料有晶体和高聚物晶体两大类。 晶体 • 在32个点群中，也就是在32类晶体对称类型中， 有10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（硒）、Li2SO4،H20、 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)、LiiNbO3、PbTiO3、 BaTiO3等。经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。
• 晶体中存在热释电效应的前提是具有自发极化， 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。 • 晶体结构中存在着与其它极轴不相同的惟一极轴 (极化轴)时，这样才有可能因热膨胀而引起总电 矩的变化，即出现热释电效应。 • 如果在晶体两端连接一负载Rn，则会产生电位差 Δ V（热释电）。
2、热电导材料（热敏材料）
• 热电导效应：当温度升高时，材料的电导率发 生较大变化的材料称为热电导材料。 • 热电导材料的特征值 电导率（电阻率）的温度系数 耗散系数H
http://v.ku6.com/show/RS5J3ON-u2QDGtfz72i4uw...html
功率灵敏度єρ：
• 灵敏阈值：可测出电阻变化的最小(热 值)功：数量级在10-9 w左右。
碱金属，Co, Ni, Fe等 负汤姆逊热效应 Negative Thomson effect
•
这种可逆的温差电热效应是汤姆逊从理 论上预言的。汤姆逊将两种温差电热效应 的系数与温差热电效应的赛贝克系数联系 起来得到汤姆逊关系式
AB TS AB
或
u A uB T
dS AB dT
应用
汤姆逊热效应
若电流通过有温度梯度的导体在导体和周围环境之间将进 行能量交换,该效应称为汤姆逊效应。
在热电回路中流过电流I时,在存在温度梯度dT/dx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dT/dx 和通电流的时间∆t成正比，
即
热电导材料的种类
• 正温度系数材料：这类材料多数是半导性的金属
氧化物和过渡金属的复合氧化物。其特点是温度
增高，电导率增加。
• 负温度系数热电导材料：这类材料主要为掺杂半
导体陶瓷如镧掺杂的钛酸钡、锶陶瓷：掺杂半导
体陶瓷的电导率‘明显增加。当温度趋于临界温
度时，电导率急剧下降。
热电导材料的应用
• 热敏电阻等热敏元件：热敏电阻合金的电阻温度 系数要大，电阻值与温度呈线性关系，电阻值随 时间稳定性好。这类合金有钴、镍和铁基，用于 航空、航天器中的大气温度加热器、家用电器元 件。如电褥、屯贸斗、电烙铁等； • 热电导半导体材料：多数半导体的电阻率随温度 而变化。利用这个性质可以做半导体热敏器件， 如二极管温度敏感器件、半导体热敏传感器、红 外探测器元件、红外成像集成阵列等。
制作热电转化器件：热电器件应用主要是作为温差发电和致 冷器，温差发电和致冷的工作原理虽不同，但它们的材料类 似，因此，统一成既能作为发电器或热束又可作为致冷器的 装置，虽成本高、效率低，但体积小、无振动、无噪声及易 控温，用于供电不方便的地方如高山、南极、月球等。
电脑CPU的散热器件
携带型冰箱，用 在汽车里 控热器件
宇宙探测卫星的电源。利 用原子炉的热能发电
热电转换材料的研究现状
• 公认的热电材料有Bi2Te3，PbTe，SiGe等。这些 材料具有的ZT=1，变换效率超过10%的高性能。 但是有耐热，耐氧化性差，原料储藏少，对环境 有污染等问题。 • 热电材料要求导电率σ和Seebeck系数S要大，热 传导率要小。固体中输送电荷的电子同时输送热。 因为热电率对应单位载流子输送的熵，载流子密 度的增大可以使σ变大，但是S变小。也就是说， 决定热电性能三个物性保持互相约束的状态。 • 2007年Ohta（太田 ，名古屋大学）成功的合成 了SrTiO3化合物的人工超格子的2维电子气 （2DEG），得到了高性能的热电材料（ZT=2.4）
有机高聚物晶体 • 聚偏二氟乙烯(PVDF)等热释电材料，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10-50μm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)O3）陶瓷材料，由 于改性减少了热滞，显示了良好的热释电 性能，已制成了单个探测器和矩阵，在红 外探测和热成像系统中得到应用。
帕尔贴（Peltier） 的实验1834年
• 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，即
Q AB It
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 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路中一个接头发热,一个接头致冷。 实际上是赛贝克效应的逆效应。
塞贝克(T.J. Seebeck)
的实验,1821年
• 回路中的电动势ΔEAB为可近似由下式给出:
• ΔEAB= SAB ΔT
• SAB 为相对塞贝克系数； • ΔT为两接触点的温差 。
SAB为材料A和B的塞贝克系数：它是热电偶最重 要的特征量。当电流由热端T2经A流向冷端T1时 SAB为正，反之为负。 SA、SB—A、B材料的塞贝克系数。
QT uI dI t dx
源自文库
式中μ称为汤姆逊系数。 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。
当电流通过一跟两端温度不同的导体（铅以外）时，若电流方向与热流方向一 致则会放出热量（电流产生的焦耳热之外），反之则会吸热。
Zn, Cu等 正汤姆逊热效应 Positive Thomson effect
• （2）温差电热效应 • 在热电回路中，与两接点间的温度差而引起的塞 贝克电动势相反，通电时，在回路中会引起两种 热效应，帕尔贴和汤姆逊热效应。前者出现在不 同的两个电极的接头处；后者一种导体的的两端 上。
帕尔贴效应
塞贝克，帕尔帖和汤姆逊称为热电三效应
汤姆逊效应
• 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。
温差电动势的大小与两种金 属材料的性质有关，也与温 度差T1－T2的大小有关。在 通常情况下，温差电动势只 有1－10毫伏数量级，如果把 多个温差电偶按照相同顺序 串接成温差电堆（右侧示意 图），温差电动势会大大增 加。
温差电堆的示意图
热电偶（thermocouple ）是温度测量仪表中常用的测温元件,是 由两种不同成分的导体两端接合成回路时，当两接合点 热电 偶温度不同时，就会在回路内产生热电流。