热电材料研究现状及应用

热电材料种类与研究现状
• 方钴矿型热电材料 方钴矿( Skutterudite)是一类 通式为AB3的化合物，其中 A是金属元素，如Ir、C o、 Rh、Fe等，B是V族元素， 如P、As、Sb等。方钴矿 (Skutterudite)化合物是立方 晶系晶体结构，具有比较复 杂的结构，如图1所示。一 个单位晶胞包含了8个A岛分 子，共32个原子，每个晶胞 内还有两个较大的笼状孔隙。
图4 AA-11导弹 导弹
结束语
世界能源危机和环境污染的加剧引起了各 国对环保能源替代材料的广泛研究。 国对环保能源替代材料的广泛研究。具有 重量轻、体积小、无污染、无噪音、 重量轻、体积小、无污染、无噪音、安全 可靠， 可靠，可在恶劣环境下工作的热电材料受 到了人们的广泛关注。 到了人们的广泛关注。随着研究的不断深 入，热电材料的性能将会得到进一步的提 其应用前景也必将更加广阔。 高，其应用前景也必将更加广阔。
• NaCo2O4材料是由N a+和 CdI2： 材料是由 型 Co2O4： 单元沿着 c轴交叠 轴交叠 形成的层状六角形结构， 形成的层状六角形结构， NaCo2O4中的 CoO2 单元构成 的扭曲 [ CoO6]八面体结构共享 八面体结构共享 一组边，形成三角形格子，Na+ 一组边，形成三角形格子， 处于CoO2层之间，呈5 0 ％无 层之间， 处于 规则占据，并处于无序状态。 规则占据，并处于无序状态。 NaCo2O4 在 a 、c 两轴向的电 阻值表现为明显的各向异性。 阻值表现为明显的各向异性。 多个八面体通过棱的重合排列 构成类钙钛矿结构， 构成类钙钛矿结构，由于八面 体问的间隙大， 体问的间隙大，可以进行某些 元素填充，增大声子的散射， 元素填充，增大声子的散射， 也可以进行元素的替代诱发化 学力导致晶格变形， 学力导致晶格变形，提高品质 因子。 因子
图3 旅行者飞船
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与热电发电相反， 与热电发电相反，热电制冷利用 Peltier效应可以制造热电制冷机。 效应可以制造热电制冷机。 效应可以制造热电制冷机 它具有机械压缩制冷机所没有的一 些优点：尺寸小、质量轻、 些优点：尺寸小、质量轻、无任何 机械转动部分，工作无噪声， 机械转动部分，工作无噪声，无液 态或气态介质， 态或气态介质，因而不存在污染环 境问题，可实现精确控温， 境问题，可实现精确控温，响应速 度快，器件使用寿命长。 度快，器件使用寿命长。因此热电 制冷已用于很多领域。除冰箱、 制冷已用于很多领域。除冰箱、空 饮水机等家用电器外， 调、饮水机等家用电器外，热电制 冷更重要的应用是信息技术领域， 冷更重要的应用是信息技术领域， 如红外探测器、激光器、 如红外探测器、激光器、计算机芯 片等。例如， 片等。例如，俄罗斯米格战斗机配 备的AA-8和AA-11系列导弹就采用 备的 和 系列导弹就采用 热电制冷对红外探测系统进行温控。 热电制冷对红外探测系统进行温控。 热电制冷也已用于医学， 热电制冷也已用于医学，如半导体 制冷运血箱、冷敷仪、冷冻切片机、 制冷运血箱、冷敷仪、冷冻切片机、 呼吸机、 激光手术器， 呼吸机、N D：YAG激光手术器， ： 激光手术器 PCR仪等。另外，热电制冷材料的 仪等。 仪等 另外， 一个可能具有实际应用意义的场合 是为超导材料的使用提供低温环境。 是为超导材料的使用提供低温环境。
热电材料的应用
• 热电材料的用途主要有热 电发电和热电制冷两个方 面。热电发电是利用S eebeck效应，直接将热能 转化为电能。 • 1962年美国首次将热电发 电器应用于人造卫星上， 开创了研制长效远距离， 无人维护的热电发电站的 新纪元。 • 1977年美国发射的旅行者 飞船就安装了1200个热电 发生器。
热电材料的研究现状及应用
李江华 S1008Fra Baidu bibliotek502016
主要内容
• 热电材料简介及原理 • 热电材料种类与研究现状 • 热电材料的应用
热电材料简介及原理 • 热电材料(又称温差电材料)是 一种利用固体内部载流子的运 动实现热能和电能直接相互转 换的功能材料，主要用于热电 发电和制冷。
热电效应与热电性能
图2 NaCo2O4的晶体结构
• 金属硅化物型热电材料 金属硅化物是指元素周期表中过渡元素与硅形成的化合物， 如FeSi2、MnSi2、CrSi2等。由于熔点高，资源丰富，价 格低廉，适合于中高温区热电发电应用。在上述几类硅化 物中，研究较多的是β-FeSi2，它具有高抗氧化性、无毒、 价格低廉等优点，通过掺入不同杂质，可制成P型或N型 半导体，适合于在200～900℃范围内使用。由于P型FeSi z的无量纲优值过低，人们正寻找新的硅化物取代它，一 种较有前景的是高锰硅化物HMS，这实际上是一种由4个 相，即Mn11Sil9、Mn26Si45、Mnl5Si24和Mn27Si47组成的非 均匀硅化锰材料。
热电效应是温差引起的电效应和电流引起的可逆 热效应的总称。热电效应包括3种相关联的效应 种相关联的效应： 热效应的总称。热电效应包括 种相关联的效应： Seebeck效应、Peltier效应和 效应、 效应和Thomson效应。 效应。 效应 效应和 效应 热电材料性能的优劣用热电优值来表示， 热电材料性能的优劣用热电优值来表示，即： Z=S2σ/κ 其中： 为 系数， 为电导率 为电导率， 为热导 其中：S为Seebeek系数，σ为电导率，κ为热导 系数 不同环境温度下材料的Z值不同 值不同， 率。不同环境温度下材料的 值不同，因此人们习惯 上用热电优值和温度之积ZT这一无量纲量来表示热 上用热电优值和温度之积 这一无量纲量来表示热 电材料性能的好坏。材料的ZT值越大 值越大， 电材料性能的好坏。材料的 值越大，热电性能越 热电转换效率就越高。 好，热电转换效率就越高。
• 半导体金属合金 型 • 热电材料半导体 金属合金型热电 材料以Ⅲ、Ⅳ、 V族及稀土元素 为主，目前研究 比较成熟。已用 作热电设备的材 料主要是金属化 合物及固溶体合 金。 如： Bi 2Te3／Sb2Te3、 PbTe、SiGe、 CrSi等。
• 氧化物及钴酸盐类类热电材料 氧化物热电材料具有使用温度高、不怕氧化、无 污染、使用寿命长、制备方便等优点，因此在中 温区热电发电领域的应用潜力很大。此外，氧化 物热电材料还具有原料资源丰富，制样时可在空 气中直接烧结，无需抽真空，成本费用低等方面 的优势，在民用上有重要价值，因而备受人们的 关注。目前此类热电材料以过渡金属氧化物为典 型代表，如NaCo2O4,Ca3Co4O9等。NaCo2O4是 一种很有前途的热电材料。