熱電材料與器件

序

前言

第1章熱電轉(zhuǎn)換基本原理

第2章熱電材料性能優(yōu)化策略

第3章熱電輸運性能的測量

第4章典型熱電材料體系及其性能優(yōu)化

第5章低維結(jié)構(gòu)及納米復(fù)合熱電材料

第6章導(dǎo)電聚合物及其納米復(fù)合熱電材料

第7章熱電器件設(shè)計集成與應(yīng)用

關(guān)鍵詞索引 2100433B

本書比較全面地梳理和總結(jié)了熱電材料與器件研究領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和新的發(fā)現(xiàn)，同時基于作者過去20余年從事熱電材料研究所積累的創(chuàng)新科研成果，并結(jié)合國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究進展和相關(guān)理論，系統(tǒng)闡述了熱電材料的多尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計與性能調(diào)控策略，總結(jié)了器件設(shè)計集成與應(yīng)用技術(shù)的最新研究成果。本書特別注重基本物理效應(yīng)與高性能熱電材料設(shè)計合成的融合，并且對該領(lǐng)域的未來發(fā)展和挑戰(zhàn)提出了作者的基本思考，利于啟發(fā)讀者的創(chuàng)新思維。

第1章緒論001

1.1熱電材料研究概述003

1.1.1熱電學(xué)研究簡史005

1.1.2熱電材料研究的最新進展009

1.2熱電材料及器件的基本原理014

1.2.1熱電效應(yīng)014

1.2.2熱電器件工作原理016

1.3方鈷礦基熱電材料的研究進展022

1.3.1方鈷礦熱電材料的結(jié)構(gòu)與組成023

1.3.2方鈷礦熱電材料性能改善的幾種方法023

1.3.3高溫高壓制備熱電材料的特點026

1.4研究目的和研究內(nèi)容028

第2章熱電材料的制備方法及高壓制備的基本技術(shù)031

2.1熱電材料的常壓制備方法033

2.1.1熔鑄法033

2.1.2粉末冶金法033

2.1.3機械合金化法034

2.1.4水熱合成法035

2.1.5真空鍍膜法035

2.2高壓合成技術(shù)036

2.2.1六面頂液壓機簡介036

2.2.2合成壓力的標定037

2.2.3合成腔體溫度的測量、控制及組裝038

2.3電阻率的測量方法041

2.4Seebeck系數(shù)的測量技術(shù)045

2.5熱導(dǎo)率的測量046

2.6熱電材料的應(yīng)用048

2.6.1溫差發(fā)電048

2.6.2溫差電制冷原理050

2.6.3太空探測051

2.6.4汽車尾氣發(fā)電052

2.6.5熱電制冷的應(yīng)用053

第3章PbxCo4Sb11.5Te0.5熱電材料的高壓制備及熱電性能研究055

3.1引言057

3.2樣品的制備與晶體結(jié)構(gòu)表征058

3.3室溫下PbxCo4Sb11.5Te0.5樣品的電學(xué)性能研究060

3.3.1PbxCo4Sb11.5Te0.5的電阻率與合成壓力間的變化關(guān)系060

3.3.2PbxCo4Sb11.5Te0.5的Seebeck系數(shù)與合成壓力間的變化關(guān)系062

3.3.3PbxCo4Sb11.5Te0.5的功率因子與合成壓力間的變化關(guān)系063

3.4Pb的填充量對PbxCo4Sb11.5Te0.5電學(xué)性能的影響064

3.4.1Pb的填充量對PbxCo4Sb11.5Te0.5電阻率的影響064

3.4.2Pb的填充量對PbxCo4Sb11.5Te0.5的Seebeck系數(shù)的影響065

3.4.3Pb的填充量對PbxCo4Sb11.5Te0.5功率因子的影響067

3.5小結(jié)067

第4章Pb和Ba雙填充熱電材料PbxBayCo4Sb11.5Te0.5的高溫高壓制備與熱電性能研究069

4.1引言071

4.2PbxBayCo4Sb11.5Te0.5熱電材料的高壓合成072

4.31.5GPa下合成的PbxBayCo4Sb11.5Te0.5的結(jié)構(gòu)與形貌分析073

4.3.1高壓合成PbxBayCo4Sb11.5Te0.5的結(jié)構(gòu)分析073

4.3.2高壓合成Ba0.25Pb0.05Co4Sb11.5Te0.5的表面形貌分析074

4.4PbxBayCo4Sb11.5Te0.5的熱電性能表征075

4.4.1填充量與PbxBayCo4Sb11.5Te0.5電阻率的變化關(guān)系075

4.4.2填充量與PbxBayCo4Sb11.5Te0.5的Seebeck系數(shù)間的變化關(guān)系076

4.4.3填充量與PbxBayCo4Sb11.5Te0.5功率因子的變化關(guān)系077

4.4.4填充量與PbxBayCo4Sb11.5Te0.5熱導(dǎo)率的變化關(guān)系078

4.4.5填充量與PbxBayCo4Sb11.5Te0.5的ZT值的變化關(guān)系080

4.5不同壓力下合成的Pb0.05Ba0.25Co4Sb11.5Te0.5的熱電性能表征081

4.5.1壓力對Pb0.05Ba0.25Co4Sb11.5Te0.5電阻率的影響081

4.5.2壓力對Pb0.05Ba0.25Co4Sb11.5Te0.5 Seebeck系數(shù)的影響082

4.5.3壓力對Pb0.05Ba0.25Co4Sb11.5Te0.5功率因子的影響083

4.5.4壓力對Pb0.05Ba0.25Co4Sb11.5Te0.5熱導(dǎo)率的影響084

4.5.5壓力對Pb0.05Ba0.25Co4Sb11.5Te0.5的ZT值的影響086

4.6小結(jié)086

第5章InxCo4Sb12方鈷礦熱電材料的高壓制備和熱電性能研究089

5.1引言091

5.2In填充型方鈷礦化合物的高壓合成與結(jié)構(gòu)表征091

5.2.1實驗過程091

5.2.2樣品InxCo4Sb12的結(jié)構(gòu)表征092

5.3高壓合成InxCo4Sb12的熱電性能093

5.3.1InxCo4Sb12的電阻率測試與分析093

5.3.2InxCo4Sb12的Seebeck系數(shù)測試與分析094

5.3.3InxCo4Sb12的功率因子測試與分析095

5.3.4InxCo4Sb12的熱導(dǎo)率測試與分析095

5.3.5InxCo4Sb12的ZT值測試與分析097

5.4小結(jié)098

第6章InxM0.2Co4Sb12(M=Ba Pb)的高壓制備和熱電性能研究099

6.1引言101

6.2InxM0.2Co4Sb12(M=Ba Pb)高溫高壓的合成101

6.2.1InxM0.2Co4Sb12(M=Ba Pb)的結(jié)構(gòu)分析102

6.2.2InxM0.2Co4Sb12(M=Ba Pb)的電學(xué)性能分析103

6.2.3InxM0.2Co4Sb12的熱學(xué)性能分析106

6.2.4InxM0.2Co4Sb12的ZT值分析107

6.3小結(jié)108

第7章In填充Ge置換型CoSb3方鈷礦熱電材料的高壓制備和熱電性能研究109

7.1引言111

7.2In0.5Co4Sb12-xGex熱電材料的高壓合成111

7.32.3GPa下合成的In0.5Co4Sb12-xGex的性能表征111

7.3.1不同濃度的Ge置換樣品的XRD衍射圖譜111

7.3.2In0.5Co4Sb12-xGex的電阻率測試分析112

7.3.3In0.5Co4Sb12-xGex的Seebeck系數(shù)測試分析113

7.3.4In0.5Co4Sb12-xGex的功率因子測試分析114

7.3.5In0.5Co4Sb12-xGex的熱導(dǎo)率測試分析115

7.3.6In0.5Co4Sb12-xGex的ZT值與溫度變化關(guān)系116

7.4不同壓力下合成的In0.5Co4Sb11Ge的熱電性能表征116

7.4.1壓力對In0.5Co4Sb11Ge樣品電阻率的影響116

7.4.2壓力對In0.5Co4Sb11Ge的Seebeck系數(shù)的影響119

7.4.3壓力對In0.5Co4Sb11Ge樣品功率因子的影響120

7.4.4壓力對In0.5Co4Sb11Ge樣品熱導(dǎo)率的影響121

7.4.5壓力對In0.5Co4Sb11Ge樣品ZT值的影響122

7.5小結(jié)122

第8章BaxIn0.2－xCo4Sb11.5Te0.5熱電材料的高壓制備及熱電性能研究125

8.1BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5熱電材料的高壓制備127

8.2高壓合成BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5熱電材料的結(jié)構(gòu)與顯微形貌分析127

8.2.1高壓合成BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5的結(jié)構(gòu)分析127

8.2.2高壓合成BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5的顯微形貌分析128

8.3高壓合成BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5熱電材料的熱電性能表征129

8.3.1壓力對BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5Seebeck系數(shù)的影響129

8.3.2合成壓力對BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5電阻率的影響130

8.3.3合成壓力對BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5功率因子的影響131

8.3.4合成壓力對BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5熱導(dǎo)率的影響132

8.3.5合成壓力對BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5Z值的影響134

8.4本章小結(jié)135

第9章結(jié)論與展望137

9.1結(jié)論139

9.2展望142

參考文獻144

熱電材料特點

制造熱電發(fā)電機或熱電致冷器的材料稱為熱電材料,是一種能實現(xiàn)電能與熱能交互轉(zhuǎn)變的材料。其優(yōu)點如下:

（1）體積小,重量輕，堅固,且工作中無噪音;（2）溫度控制可在±0.1℃之內(nèi);（3）不必使用CFC(CFC氯氟碳類物質(zhì)，氟里昂。被認為會破壞臭氣層)，不會造成任何環(huán)境污染;（4）可回收熱源并轉(zhuǎn)變成電能(節(jié)約能源)，使用壽命長，易于控制。

雖然其優(yōu)點眾多，但利用熱電材料制成的裝置其效率(<10%)仍遠比傳統(tǒng)冰箱或發(fā)電機小。所以若能大幅度提升這些熱電材料的效率，將對廣泛用于露營的手提式致冷器，太空應(yīng)用和半導(dǎo)體晶片冷卻等產(chǎn)生相當重要的影響。家庭與工業(yè)上的冷卻將因熱電裝置無運動的部件，是堅固的，安靜的，可靠的，且避免使用會破壞臭氣層的含氯氟碳氫化合物。熱電材料需要有高導(dǎo)電性以避免電阻所引起電功率之損失，同時亦需具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)以使冷熱兩端的溫差不會因熱傳導(dǎo)而改變。

熱電材料熱電優(yōu)值

材料的熱電效率可定義熱電優(yōu)值 (Thermoelectric figure of merit) ZT來評估:

其中，S為塞貝克系數(shù)(thermoelectric power or Seebeck coefficient)，T為絕對溫度，σ為電導(dǎo)率，κ為導(dǎo)熱系數(shù)。為了有一較高熱電優(yōu)值ZT，材料必須有高的塞貝克系數(shù)(S)，高的電導(dǎo)率與低的導(dǎo)熱系數(shù)。

本書共9章，主要介紹了熱電材料的現(xiàn)狀、制備方法、高壓合成理論介紹、熱電性能測試方法以及不同種類的材料制備和性能研究等內(nèi)容。

本書具有較強的知識性和針對性,可供材料科學(xué)與工程、熱電材料、環(huán)境工程等領(lǐng)域的科研人員、技術(shù)人員和管理人員閱讀，也可供高等學(xué)校材料科學(xué)與工程、環(huán)境工程等相關(guān)專業(yè)的師生參考。