mgh2反应法制备mg2si基热电材料与其热电性能研究

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1、万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文5．3．3热性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯575．4小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．60第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．636．1实验结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．636．2展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。64参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯65致谢⋯⋯⋯⋯

2、⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．75攻读学位期间发表的学术论文目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯77VII万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文VIII万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文第一章绪论随着化石燃料的日益枯竭，能源问题成为各国发展关注的重点。2011年，全球能源总体消耗约122．7亿吨标准油，其中化石燃料在总的能源消费中的比重达到87％f11。照此消耗速度，目前探明的石油储量仅仅够人类再使用50年，而使用化石燃料所引起的环境问题也将越来越严重。因此开发新型可再生的清洁能源材料，成

3、为人类面临的主要社会问题【2．5】。依照美国能源部对初级能源消耗的估算，全世界有55％以上的能源是以废热的形式被释放到自然环境中【6

4、，因此对废热的回收再利用有利于缓解当前的环境和能源问题。热电材料作为一种能够实现热能和电能直接转换的功能材料，近年来已经成为研究者关注的热点【7‘101。由于热电转换利用的是固体内部的载流子，因此利用热电材料制成的应用器件具有易于控制，可靠性高；无运动部件，无噪声等优点，在太阳能发电，废热再利用以及军事航空等领域的应用有明显的优势【‘n。然而，目前报道的热电器件，转换效率仅在10％左右，与传统发电和制冷器

5、件的效率有一定差距，这限制了热电器件的广泛应用，研究者对于热电材料的研究主要集中在提高材料的热电性能。1．1热电材料的研究背景1．1．1热电转换现象的研究历史1821年，德国科学家T．J．Seebeck观察到两种不同导体间的热电现象一一Seebeck效应，13年后，法国钟表匠J．Peltier发现了另一个热电效应——Peltier效应，即Seebeck效应的逆效应，在1855年，W．Thomson发现了均质导体中的热电现象——Thomson效应【7】o1911年，Altenkirch[8】分析了热电材料的转换效率问题，并提出通过改善热电

6、性能的措施，即提高材料的电传输性能，降低热传输性能。由于当时研究者对于热电转换材料的研究均集中于金属材料，而金属的Seebeck系数较小，因此其热电性能一直很差。直到20世纪50年代，使用半导体制成的热电器件应用到制冷部件中，人们对于热电材料的研究达到高潮。往后的30多年，热电转换技术的探究又发展得很慢，直到上个世万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文纪90年代，纳米技术的发展以及一些新的研究思路的提出，使得热电材料的研究再次得到人们的关注【81。1．1．2热电效应热电效应是指热能与电能相互转换的效应。主要包含三个效应，分别是Seebe

7、ck效应，Peltier效应，以及Thomson效应‘71。(1)Seebeck效应【7】如图1．1所示，两个不同导体a，b的两个端点相互连接，形成闭合回路。若两个接头处A，B的温度乃和乃不同，则在回路中会产生电流，这种电流称为温差电流，电流产生的电势称为Seebeck电动势，也称为温差电动势，其大小仅与两个接头处的温差有关。C与D之问的温差电动势如可用公式(1．1)表示：％=口·(石-互)=69‘△丁(1-1)公式(1．1)中，△T为接头A，B之间的温度差，n定义为Seebeck系数，n可以表示为：F口=liII#生(1-2)aT-'

8、0△TSeebeck系数的常用单位为州’K-1，因为如有正有负，所以Seebeck系数也存在正负两种情况，通常规定：若电流在A处由a导体流向b导体，则Seebeck系数为正，反之则为负。(2)Peltier效应【7]CD图1-1Seebeek效应示意图Fig．1-1SketchmapofSeebeekEffect2万方数据太原理工大学硕士研究生学位论文Peltier效应是将电能转化为热能的效应。如图1．2所示，a和b两种不同的导体连接成回路，在回路中通入电流，这时在两个接头处就会出现吸收热量或释放热量的现象。这个过程中产生的热量称为Pe

9、ltier热量。接头处吸(放)热速率与回路中通过的电流I成正比，定义在单位时间内接头处吸收或释放的热量为d出Q=饥(1．3)式中，定义％为Peltier系数，单位为V。若接头处吸热，则dQ>0，％6取正值，