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熱電研究及其應用

目錄熱電的研究背景熱電的研究現(xiàn)狀熱電的理論研究熱電的應用1.熱電材料受到前所未有的關注熱電的研究背景2.能源問題推動了熱電材料的研究熱電的研究背景3.環(huán)境污染和溫室效應熱電的研究背景熱電的研究現(xiàn)狀目前已發(fā)現(xiàn)的主要熱電材料體系☆Bi2Te3/Sb2Te3體系☆PbTe體系☆SiGe體系研究相對成熟熱電性能好溫度覆蓋范圍合適☆CoSb3為代表的方鈷礦型(Skutterudite)熱電材料☆Zn4Sb3☆金屬硅化物（如β-FeSi2、MnSi2、CrSi2等）☆NaCo2O4為代表的氧化物等Bi2Te3/Sb2Te3適用于低溫，在室溫附近熱電優(yōu)值達到1（相應的熱電轉換效率約為7~8％），被公認為是最好的熱電材料，目前大多數(shù)熱電制冷元件都是使用這類材料。PbTe體系適用于500~900K的中溫，熱電優(yōu)值最大可達0.8，可用于溫差發(fā)電SiGe體系多用于900K以上高溫，但是這類具有金剛石結構的材料的晶格熱導率很高，因而熱電優(yōu)值很低，目前只是在衛(wèi)星和空間站的溫差發(fā)電系統(tǒng)比較常用。熱電的研究現(xiàn)狀熱電材料研究和應用的瓶頸熱電的研究現(xiàn)狀提高熱電優(yōu)值ZT的困難在于熱電材料自身的Seebeck系數(shù)、電導率和熱導率不是相互獨立的，而是都取決于材料的電子結構以及載流子的傳輸特性。例如，當通過提高載流子濃度和載流子遷移率來提高電導率時，不僅會增大載流子對熱傳導的貢獻，造成熱導率增大，而且往往會降低Seebeck系數(shù)。正是由于這三個物理量不能同步調(diào)節(jié)，熱電優(yōu)值和熱電轉換效率很難大幅度提高，使得傳統(tǒng)塊狀熱電材料的推廣應用面臨巨大障礙。熱電的理論研究熱電材料的優(yōu)點43251無任何噪音材料體積小無排放廢物污染不需要傳動部件性能可靠，壽命長熱電的理論研究熱電的理論研究熱電效應熱電效應是溫差引起的電效應和電流引起的可逆熱效應的總稱。包括Seebeck效應、Peltier效應和Thomson效應。熱電的理論研究熱電的理論研究熱電的理論研究熱電的理論研究熱電的理論研究熱電的理論研究熱電的理論研究熱電性能的研究提高功率因數(shù)PF=S2σ降低熱導κ降低有效質(zhì)量mI*合適的費米能級的位置（Edef)多谷能帶結構（Nv）降低晶格熱導κL熱電的理論研究1、摻雜改變費米能級的位置，優(yōu)化電輸運性能；點缺陷（原子質(zhì)量波動），增強聲子散射熱電的理論研究2、研制功能梯度材料①載流子濃度梯度熱電材料沿著材料的長度方向載流子濃度被優(yōu)化，以使材料的每一部分在各自工作溫度區(qū)達到最大的優(yōu)值。②分段復合梯度熱電材料由不同材料連接構成，每段材料工作在其最佳溫度區(qū)。熱電的理論研究3、納米化多晶，層狀化合物或者薄膜以及納米顆粒中，用離子半徑相似的重元素代替以提高ZT值。尤其以納米化較有前途。熱電的理論研究納米化的三個優(yōu)點熱電的理論研究3.氧化物熱電的應用熱電材料在制冷上的應用熱電制冷原理圖過程解析圖美國、德國、日本、韓國等汽車公司（GM、BMW、HONDA、大眾、現(xiàn)代等）正在開展相關研發(fā)工作，可節(jié)省油耗5%；國內(nèi)相關研究剛剛起步（上汽）聚光光伏太陽能輔助系統(tǒng)利用高聚光太陽能在基板上產(chǎn)生的熱能發(fā)電，提高轉換率；國家“973”計劃、日本能源開發(fā)機構NEDO、美國DOE等均有所部署利用燃燒熱、地熱、體表溫差等熱源，為野外作業(yè)、偏遠山區(qū)、小型電器、植入式醫(yī)療器械等提供電能熱電材料在發(fā)電上的應用放射性同位素供熱的熱電發(fā)電器是太空探測器目前惟一的供電系統(tǒng)。熱電發(fā)電的工作原理

PowerGenerationMode由于高溫端的熱激發(fā)作用較強,此端的空穴和電子濃度比低溫端高,在這種載流子濃度梯度的驅(qū)動下,空穴和電子向低溫端擴散,從而在低溫開路端形成電勢差。能開發(fā)自身供能的電源系統(tǒng)3熱電發(fā)電的特點熱電在醫(yī)療上的應用半導體制冷運血箱制冷和制熱；抗震性強；重量輕，適合攜帶；無污染。冷敷儀采用半導體制冷技術為制冷源制造的冷敷儀可在5min內(nèi)從室溫降低到40C,而且連續(xù)運轉并保持低溫，降低護理人員的工作量。冷凍切片機冷凍速度快、溫度低、操作簡單方便，切片速度快，切片質(zhì)量高。呼吸機半導體制冷氣泵體積小、結構簡單、無噪聲，冷凝速度快，冷凝效率高等，廣泛應用于高檔呼吸機氣泵中。例如西門子呼吸機。Nd:YAG激光手術器半導體制冷技術的Nd:YAG激光技術器，體積小、重量輕、使用方便、連續(xù)工作時間長等，還具有完善的溫控報警裝置。氧化物熱電材料的應用氧化物熱電材料的特點熱電在其它方面的應用熱電性能評價優(yōu)異熱電性能：Seebeck系數(shù)大電導率高熱導率低熱電轉化效率高提高熱電性能方法EnhancepowerfactorLowthermalconductivity降低熱導的方法利用材料的結構：方鈷礦中填充原