热电转换材料

热电转换材料

摘要：随着工业的进步，很多废热得不到合理的利用，造成很大的能量浪费，而热电材料可以很好的解决这个问题。利用自然界温差和工业废热热电发电。他能利用自然界的非污染能源，具有良好的社会综合效益。在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行热电材料的研究具有很强的现实意义。

关键词:热电材料；热导率；电导率；影响因素

引言

热电材料主要是利用温差将热能转化为电能，热电材料主要通常无量纲热电优值来表征。无量纲热电优值越大热电材料性能越好。而影响无量纲优值的因素有：see-beck系数、电导率和热导率。固体中的导热主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的，所以影响热导率的主要影响因素有温度，显微结构，化学组成，复相陶瓷，气孔等。影响无机材料电导率的因素主要有杂质及缺陷。在中国主要的发电形式是热电，但热电的由于余热浪费很严重。还有汽车尾气、工厂废气余热等都得不到很好的利用。在资源日益紧缺的当代，解决余热浪费问题就显得比较迫切了。而提高热电材料的热电转换率就可以解决这一问题。现在热电材料在电厂及工厂废热发电以及在处理汽车尾气上，航空航天领域都有很高的应用价值。

正文

随着全球工业化步伐的加快，世界性的能源短缺已成为制约经济社会发展的重要因素。然而，生活中有许多耗费能源所生成、却又被废弃的热能，例如汽车尾气、工厂锅炉排放的气体等。经计算，汽车的能源利用率不到30%，其余的能量除了用来冷却和摩擦生热外，有高达40%的能量作为尾气直接排掉，不仅浪费了大量能量，而且污染环境、造成温室效应。如果能将这些热能善加利用，即可成为再次使用的能源。

热电材料就是这样的一类材料，热电材料是有温差引起载流子运动并将热能转换为电能的一种环保行动能材料。热电材料因具有耐高温、耐氧化、无污染等特性，使其在特殊领域具有其他

材料所不具备的优势。热航天航空领域；电厂及供暖废热的转化利用、热点转换制冷等，热电材料的性能通常用无量纲热电优值

来表征，其中S，σ，T和K分别表示se e-b ec k 系数，电导率，绝对温度和热导率。S²•σ成为功率因子。反映材料的电传输性能，好的热电材料通常具有较大的s ee-b eck系数和电导率，同时还具有较小的热导率。

利用余热来发电，就是一种能源再利用的方法，但其关键是选择热电材料与技术。因为其应用不需要使用传动部件，工作时静音、无排放物，对环境没有污染，并且这种材料性能可靠、使用寿命长，是一种具有广泛应用前景的环保节能材料。因此，人们希望找到一种拥有较高热电转换效率的材料。然而，热电转换效率偏低成为制约热电材料应用的主要因素。热电转换效率主要由热电优值（Z T）来决定。现在，大部分热电材料ZT<1（对应热电转换效率<10%），因此，提高Z T值一直是热电材料研究者的主要工作。我国对此也非常重视，目前有国家“973”计划等项目进行支持。

一般工业废气都具有较高的温度和一定的腐蚀性。而陶瓷具有好的力学性能和抗腐蚀性能。

1.理论基础

好的热点交换材料一般具有耐高温、耐腐蚀、耐氧化等指标。而陶瓷就具有好的力学性能和抗腐蚀性能。对于陶瓷热电性能用

无量纲优值来表征。其中S，σ，T和K分别表示s ee-b ec k系数，电导率，绝对温度和热导率。由于在使用时s ee-b ec k系数Ｓ和绝对温度Ｔ都是定值，所以只用讨论热导率和电导率。

1.1热导率

固体中的热导主要是由晶格振动的格波和自由电子的运动来实现的，而陶瓷材料中的自由电子很少，晶格振动则是它的主要导热机构。格波分为声频支和光频支，在温度较低时可只考虑

声频支，但陶瓷热点交换器的工作温度一般较高，应该全部考虑。

晶体材料的声频支热导率公式为 l v c -=3

1λ ，c 是声子的体积热容， -v 是声子的平均速度，l 是声子的平均自由程。晶格间有着一定的耦合作用，声子间会产生碰撞，是声子的平均自由程减小。格波间的相互作用越强，也就是声子间碰撞几率越大，相应的平均自由程越小，导热率也就越低。因此声子间碰撞引起的散射是晶格中热阻的主要来源。且晶体中的各种缺陷、杂质以及晶界都会使热导率降低。

晶体材料光频支热导率公式为错误！未指定书签。错误！未指定书签。错误！未指定书签。T T l T n 323

16σλ=，其中σ是波尔兹漫常数，n 是折射率，T 是K 氏温度，T l 是辐射线光子的平均自由程。T λ就是描述介质中辐射能的传递能力，它取决与辐射能传播过程中的光子的平均自由程。对于辐射线是透明的介质，热阻很小，T l 较大；对于辐射线不透明的介质，T l 很小；对于完全不透明的介质，T l =0，在这种介质中，辐射传热可以忽略。

热导率的主要影响因素温度，显微结构，化学组成，复相陶瓷，气孔等。

1.2电导率

电阻率的倒数定义为电导率，任何物质，只要存在电荷的自由粒子——载流子就可以在电场的作用下产生电流，无机材料的载流子可以是电子（负电子，空穴）、离子（正负离子，空穴）。载流子为离子的电导称为离子电导，载流子为电子的电导称为电子电导。

电导率的一般表达式为∑∑==i

i i i i i q n μσσ错误！未指定书签。错误！未指

定书签。 其中i q 为第i 中载流子的电荷量，i n 为单位体积内第i 种载流子数，i μ为第i 种载流子的迁移率。由公式可知影响电导率的因素主要是载流子浓度和离子迁移率。对于固有电导，载流子浓度由晶体本身热缺陷——弗伦克尔缺陷和肖特基缺陷提供。杂质离子载流子的浓度决定于杂质的数量和种类。

一般杂质及缺陷的存在是影响电导的主要因素，因而多晶多相材料中，如形成间隙或缺陷固溶体，其电导率增大。对于少量气孔分散相，气孔率增加，材料

电导率减少，如果气孔量很大，形成连续相，电导主要受气相控制。

2.结论

通过以上的影响因素，可以知道在热电转换材料的制造过程中减小声子和光子的平均自由程。增加晶体中的缺陷浓度和杂质的数量，适当减小材料的气孔率，通过这些方法来提高材料的电导率以及降低材料的热导率来提高材料的无量纲热优值，提高热电转换效率。增加废热的利用率。

参考文献：

【1】陈玉安，现代功能材料，重庆：重庆大学出版社，2008

【2】关振铎，无机材料物理性能（131-150，260-266），北京，清华大学出版社，1992

【3】「波」R·帕姆普奇著、杨宇乾译，陶瓷材料性能导论，西安：中国建筑工业出版社，1984

【4】材料研究学报，第24卷，第2、4期

【5】田增英，精密陶瓷及应用，北京：科学普及出版社，1993

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