材料性能學(xué)課件：材料的電學(xué)性能2-熱電性能-

材料性能學(xué)PropertiesofMaterials材料科學(xué)系2第14章材料的電學(xué)性能14.1導(dǎo)電性能

Conductivity14.2熱電性能Thermoelectricity14.3半導(dǎo)體導(dǎo)電性的敏感效應(yīng)SensitiveeffectofSemiconductorconductivity14.4介質(zhì)極化與介電性能Dielectricpolarizationanddielectricity14.5絕緣材料的抗電強(qiáng)度Dielectricstrengthofinsulant材料的物理性能材料科學(xué)系3熱電材料是一種利用固體內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接相互轉(zhuǎn)換的功能材料。材料科學(xué)系4掌握要點(diǎn)：三種熱電效應(yīng)包括

、

、和

。三種熱電效應(yīng)Seebeck效應(yīng)、Peltier效應(yīng)

Thompsom效應(yīng)

。①電子逸出功不同，

②自由電子密度不同；材料科學(xué)系614.2熱電性能Thermoelectricity三種熱電效應(yīng)：熱電理論的基礎(chǔ)。ThermoelectricEffect

當(dāng)受熱物體中的電子(空穴)，因隨著溫度梯度由高溫區(qū)往低溫區(qū)移動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生電流或電勢（電荷堆積）的一種現(xiàn)象。14.2.1熱電效應(yīng)pyroelectriceffect

材料科學(xué)系7第一熱電效應(yīng):塞貝克Seebeck效應(yīng)1821年，德國人Seebeck不同金屬A、B組成回路閉合，接點(diǎn)處溫度不同T1>T2，回路中產(chǎn)生熱電勢→熱電流。

原因：①電子逸出功不同，

②自由電子密度不同；

N：有效電子密度。金屬：幾μV/℃半導(dǎo)體：Seebeck效應(yīng)更顯著（幾mV/℃）材料科學(xué)系8Seebeck效應(yīng)之應(yīng)用測溫?zé)犭娕迹üI(yè)）；溫差發(fā)電；溫差電傳感器；常用的熱電偶：

-50~+1600℃，連續(xù)測量；特殊熱電偶：

-271~+2800℃全固態(tài)能量轉(zhuǎn)換，替代燃料電池；軍用電池、遠(yuǎn)程空間探測器、遠(yuǎn)距離通訊與導(dǎo)航、微電子等特殊應(yīng)用領(lǐng)域.材料科學(xué)系9Peltier效應(yīng)：流過一個(gè)接觸面的電流在該接觸面處產(chǎn)生吸放熱的熱電效應(yīng)。第二熱效應(yīng):帕爾貼Peltier效應(yīng)靜電勢VAB，稱為接觸電勢。材料科學(xué)系10第二熱效應(yīng):帕爾貼Peltier效應(yīng)沿AB方向通電流，電子e從低能級(jí)B向高能級(jí)A運(yùn)動(dòng)，從外界吸收能量，接觸點(diǎn)處吸收熱量；變冷。若反方向通以電流，接觸點(diǎn)處要放出熱量。這種現(xiàn)象稱為帕耳帖效應(yīng)。吸收或放出的熱量QP稱為帕爾帖熱；PAB稱為帕爾帖系數(shù)或帕爾帖電勢材料科學(xué)系11第二熱效應(yīng):帕爾貼Peltier效應(yīng)1834年，法國物理學(xué)家Peltier：

帕爾貼Peltier效應(yīng)：Seebeck效應(yīng)的逆效應(yīng)。鐘表匠材料科學(xué)系12帕爾帖熱和焦耳熱疊加在一起的。焦耳熱與電流方向無關(guān)，帕爾帖熱與電流方向有關(guān)。用正反通電法測出Peltier熱。第二熱效應(yīng):帕爾貼Peltier效應(yīng)ⅠⅡⅢbⅣbⅤbⅥbⅦbⅧbⅠbⅡbⅢⅣⅤⅥⅦ0HHeLiBeBCNOFNeNaMgAlSiPSClArKCaScTiVCrMnFeCoNiCuZnGaGeAsSeBrKrRbSrYZrNbMoTcRuRhPdAgCdInSnSbTeIXeCsBaLaHfTaWReOsIrPtAuHgTlPbBiPoAtRnFrRaAcRf熱電半導(dǎo)體材料（Thermo-Electric-cooling，TEC）碲化鉍Bi2Te3,CoSb3,Sb2Te3,Bi2Se3Cu2S1-xTex關(guān)鍵和難點(diǎn)高的電輸運(yùn)+低的熱傳導(dǎo)→→本征矛盾。單晶：對(duì)載流子和聲子的散射均很低，

極高的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。多晶：晶界散射，電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率降低↓↓。材料科學(xué)系14馬賽克晶體：宏觀上單晶，微小偏轉(zhuǎn)角度的納米晶。拓?fù)浣^緣體-----特殊的絕緣體

體內(nèi)---絕緣體，表面---金屬性，電子在表面自由流動(dòng)，不損耗任何能量。第一代，HgTe量子井；第二代，BiSb合金；第三代，Bi2Se3，

Sb2Te3，Bi2Se3

等化合物。量子計(jì)算機(jī)的量子比特特性，凝聚態(tài)物理的研究焦點(diǎn)。熱電致冷器20世紀(jì)90年代，原蘇聯(lián)科學(xué)家約飛(A·F·Joffe，1880-1960)碲化鉍Bi2Te3為基的化合物，最好的熱電半導(dǎo)體材料（Thermo-Electric-cooling，TEC）。半導(dǎo)體致冷器電流：N型→

P型：吸熱----冷端；電流：P型→N型：放熱----熱端。P型：Bi2Te3-Sb2Te3N型：Bi2Te3-Bi2Se3熱電勢差最大。視頻半導(dǎo)體制冷片C1206性能測試半導(dǎo)體制冷片(溫度控制TEC-10A）驅(qū)動(dòng)器半導(dǎo)體制冷片致冷片車載冰箱家用小冰箱飲水機(jī)5-65°視頻半導(dǎo)體制冷-車載冰箱半導(dǎo)體制冷-如何使用車載冰箱材料科學(xué)系21第三熱效應(yīng)：湯姆遜Thompsom效應(yīng)同種金屬中電流流過一定溫度梯度的導(dǎo)體時(shí)，產(chǎn)生額外(除焦耳熱外)的吸（放）熱。I與熱流方向一致→放熱。1856年，英國物理學(xué)家Thompsom:反過來，當(dāng)一根金屬棒兩端溫度不同時(shí)，兩端會(huì)形成電勢差。熱電制冷分析中，常忽略湯姆遜效應(yīng)（微弱）。材料科學(xué)系22三個(gè)熱電效應(yīng)可以在兩種金屬組成的回路中同時(shí)出現(xiàn)。Seebeck效應(yīng)Thompsom效應(yīng)Peltier效應(yīng)熱電勢、熱電流流過同一導(dǎo)體（吸放熱）流過接觸點(diǎn)（吸放熱）材料科學(xué)系23生物的熱電效應(yīng)：鯊魚：鼻子里一種膠體，把海水溫度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，傳送給神經(jīng)細(xì)胞，使鯊魚能夠感知到0.001℃細(xì)微變化，從而準(zhǔn)確地找到食物。材料科學(xué)系24自然界熱電效應(yīng)明顯的物質(zhì)：明礬石。制造明礬及硫酸鉀的來源；提煉鋁及造紙/食品加工/凈水劑/染料等；空氣負(fù)離子技術(shù)：極化，放電，凈化室內(nèi)空氣。K2SO4·Al2(SO4)3·2Al2O3·6H2O材料科學(xué)系25溫差發(fā)電：重新成為全球研究的熱點(diǎn)，溫差發(fā)電通過熱電轉(zhuǎn)換材料實(shí)現(xiàn)。Seebeck效應(yīng)是溫差發(fā)電的基礎(chǔ)。熱電效應(yīng)的工業(yè)應(yīng)用：燃?xì)庠钪邢ɑ鸨Ｗo(hù)方式---熱電式

Peltier散熱器（半導(dǎo)體/陶瓷制冷器）。飲水機(jī)制冷：半導(dǎo)體致冷器——PTC

小型熱電制冷器：放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電器1968年，美國宇航局，航天器中。材料科學(xué)系262012年美國“好奇”號(hào)火星探測器碲化鉛為熱電轉(zhuǎn)換材料平均110瓦，維持科學(xué)儀表正常工作。熱發(fā)電利用地?zé)?、溫泉以及工廠廢熱等發(fā)電。材料科學(xué)系27材料科學(xué)系28材料科學(xué)系29（一）、金屬本性(+)Si、Sb、Fe、Me、Cd、W、Au、Ag、Zn、Rh、Il、Cs、Ta、Sn、Pb、Mg、Al,石墨,Hg、Pt、Na、Pd、K、Ni、Co、Bi（-）14.2.2影響熱電勢的因素中間金屬定律：串聯(lián)金屬回路的總熱電動(dòng)勢只與兩端金屬有關(guān)，與中間串聯(lián)金屬無關(guān)（只要串聯(lián)金屬兩端溫度相同）。熱電偶：將兩不同金屬的一端焊在一起，作為熱端，而將另一端分開，并保持恒溫。材料科學(xué)系30影響熱電勢的因素：（二）合金化：連續(xù)固溶體：呈懸鏈?zhǔn)阶兓ㄟ^渡族不符合）形成化合物：熱電勢突變.半導(dǎo)體→E↑↑（共價(jià)結(jié)合加強(qiáng)）多相混合物：位于兩相熱電勢之間；同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變：熱電勢變化明顯。（三）溫度：熱電勢E與接點(diǎn)處的溫差成正比；E=at+bt2+ct3(t為熱端溫度、冷端0℃)材料科學(xué)系31熱電勢的應(yīng)用：（一）溫度測量：Pt-銠，Cr-Al熱電偶（溫差發(fā)電）（二）組織變化研究：合金時(shí)效、M回火等；（三）鋼的成分（不同牌號(hào)鋼材的鑒別）C%0.040.30.410.570.760.951.05900℃淬火后7431061570795011701308800℃退火后29100420417393378473含C量及熱處理對(duì)鐵—鋼熱電偶之熱電勢的影響（μv）材料科學(xué)系3214.3半導(dǎo)體電性的敏感效應(yīng)一、熱敏效應(yīng)：T↑→→σ↑二、光敏效應(yīng)：光照→→σ↑三、壓敏效應(yīng)：電壓/壓力敏感四、磁敏效應(yīng)：霍爾效應(yīng)/磁阻效應(yīng)半導(dǎo)體導(dǎo)電：導(dǎo)帶中的電子、價(jià)帶中的空穴；電導(dǎo)率受溫度、光照影響很大，產(chǎn)生了一些半導(dǎo)體敏感效應(yīng)。應(yīng)用：自動(dòng)控制、測量、信息處理；熱敏溫度計(jì)、電路溫度補(bǔ)償、無觸點(diǎn)開關(guān)等；光敏電阻器→自動(dòng)照明；壓敏電阻器→過電壓吸收，高壓穩(wěn)壓、避雷器等。材料科學(xué)系3314.4介質(zhì)極化與介電性能14.4.1極化的概念電介質(zhì)在電場作用下產(chǎn)生感應(yīng)電荷；dielectricpolarizationand

dielectricproperty材料科學(xué)系34鐵電、熱釋電和壓電晶體間的關(guān)系PyroelectricityFerroelectricitypiezoelectricitydielectricity材料科學(xué)系3514.4.2極化的基本形式極化形式：

電子極化、離子極化和偶極子轉(zhuǎn)向極化?；拘问剑何灰剖綐O化、松弛極化和轉(zhuǎn)向極化。1.位移極化：電子云位移→彈性可逆的；2.松弛極化：外加電場克服熱運(yùn)動(dòng)使質(zhì)點(diǎn)分布規(guī)律化→極化（不可逆，消耗能量）；3.轉(zhuǎn)向極化：極性分子中。外電場使偶極子轉(zhuǎn)向和外電場一致.要克服熱運(yùn)動(dòng)。材料科學(xué)系3614.4.3介電常數(shù)：介電常數(shù)ε：電介質(zhì)存在時(shí)的電容與無介質(zhì)（真空）時(shí)電容的增長倍數(shù)。X為電介質(zhì)材料的極化率，P為極化強(qiáng)度；極板上自由電荷面密度(電位移)D與外電場E：DielectricConstant材料科學(xué)系3714.4.4影響介電常數(shù)的因素極化類型介質(zhì)材料以哪種形式極化，與它們的結(jié)構(gòu)緊密程度相關(guān)環(huán)境溫度頻率電場強(qiáng)度非線性關(guān)系線性關(guān)系應(yīng)用：電子電工方面，隔直流、絕緣，貯存能量，電容器材料科學(xué)系38介質(zhì)損耗dielectricloss在E作用下，電介質(zhì)中的電能→熱能，單位時(shí)間發(fā)熱消耗的能量→損耗功率（介質(zhì)損耗）介質(zhì)損耗是應(yīng)用于交流電場中電介質(zhì)的重要品質(zhì)指標(biāo)之一。電導(dǎo)損耗：極化損耗：電離損耗結(jié)構(gòu)損耗宏觀結(jié)構(gòu)不均勻的介質(zhì)損耗損耗形式材料科學(xué)系39介質(zhì)損耗影響因素材料結(jié)構(gòu)：漏導(dǎo)電流、極化機(jī)制外界環(huán)境：溫度：T↑→能量損耗W有一極大值頻率：f很小→w=of很大→來不及緩慢極化W=0f較高→F↑→W↑材料科學(xué)系4014.4.5壓電性能piezoelectricity壓電效應(yīng)：沒有電場作用，由機(jī)械應(yīng)力使電介質(zhì)晶體產(chǎn)生極化，并形成晶體表面電荷的現(xiàn)象。正壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)材料科學(xué)系41

piezoelectricity壓電性能：壓電材料的應(yīng)用：煤氣爐、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等點(diǎn)火所用的壓電點(diǎn)火器電子手表所用的壓電諧振器。聲控門、報(bào)警器和兒童玩具所用的壓電蜂鳴器信號(hào)處理器、存貯顯示器、信號(hào)發(fā)生器及各類計(jì)量測試元件等。壓電傳感器，如壓電力敏、聲敏、熱敏、光敏、濕敏和氣敏等傳感器。材料科學(xué)系4214.4.6鐵電性能Ferroelectricity熱釋電效應(yīng)：晶體因溫度均勻變化而發(fā)生極化強(qiáng)度改變的現(xiàn)象。具有自發(fā)極化(固有極化)的晶體；具有對(duì)稱中