热电材料的现状及特点

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1、第31卷第2期河北理工大学学报(自然科学版)Vol131No122009年5月JournalofHebeiPolytechnicUniversity(NaturalScienceEdition)May12009文章编号:1674-0262(2009)02-0077-03热电材料的现状及特点周金金,张文丽(河北理工大学材料学院,河北唐山063009)关键词:热电材料;热电效应;热电优值摘要:随着环境和能源的问题日益突出,热电材料的发展倍受关注。论述了热电效应的基本原理,分析了几种近年来研究的热电材料的结构及特点。中图分类号

2、:TQ16文献标志码:A0引言能源是现代生活和发展的基础,电能是最广泛使用的最为便利的能源形式。但是如今发电的主要形式还是化石能源,这些能源的使用都给我们带来了便利的同时,也带来了一个全球关注的问题-污染。环境问题是新世纪人类面临的最严峻的挑战之一。而广大科学工作者,也在不断努力去解决这些困挠着国计民生乃至人类生存的社会问题。而其中从上个世纪九十年代以来,能源转换材料(热电材料)的研究成为材料科学的一个研究热点。热电材料的应用不需要使用传动部件,工作时无噪音、无排弃物,和太阳能、风能、水能等二次能源的应用一样,对环境没有

3、污染,并且这种材料性能可靠,使用寿命长,是一种具有广泛应用前景的环境友好材料。1基本原理热电效应是Seebeck效应、Peltier效应以及Thompson效应的总称,这三个效应不是独立的,三者可以通过Kelvin关系式联系在一起。利用Seebeck效应可以用来发电,利用Peltier效应则可以实现制冷或者温度控制。早在1823年德国科学Seebeck就发现有温度梯度的试样两端存在电势差,此现象称之为Seebeck效应。约12年后,法国的Peltier观察到:当电流流过两种不同金属时,接头附近的温度将发生变化。但当时Pe

4、liter并未意识到这一现象与Seebeck效应之间的相互关系。直到1838年,帕尔帖现象的本质才由Lenz给出了正确的解释。他断言:两个导体是吸热还是放热取决于流过导体的电流的方向。他进一步做了实验演示,先在接头处使水冻结成冰,随后改变电流方向,使冰解冻。上述现象就是Peltier效应。1855年,Thomson发现并建立了Seebeck效应与Peltier效应之间的关系,并预言了第三种热电现象,即Thom-son效应的存在。1911年,德国的Altenkirch提出了一个令人满意的热电制冷和发电的理论,该理论指出:较

5、好的热电材料必须具有大的Seebeck系数,从而保证有较明显的热电效应,同时应有较小的热导率,使能量能保持在接头附近,另外还要求电阻较小,使产生的焦耳热最小。对这几个性质的要求可由热电优值(Figureofmerit)描述。其定义为:3Z=AR/k其中A和R分别为Seebeck系数和电导率,k为热导率。热电优值作为评价热电效率的标准。2发展现状211钴酸盐类氧化物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,因此在中温区收稿日期:2008-07-0978河北理工大学学报(自然科学版

6、)第31卷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。+NaCo2O4材料是由Na和CdI2型CoO2单元沿着c轴交叠形成的层状六角形结构,NaCo2O4中的CoO2+单元构成的扭曲[CoO6]八面体结构共享一组边,形成三角形格子,Na处于CoO2层之间,呈50%无规[1]则占

7、据,并处于无序状态(见图1)。NaCo2O4在a、c两轴向的电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,由于八面体间的间隙大,可以进行某些元素填充,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,提高品质因子。图1NaCo2O4的晶体结构在室温下,NaCo2O4具有较高的热电势,同时有低的电阻率和低的晶格热导率,因而是一种较有前+途的新型热电材料。但是由于Na在空气中容易潮解,而且当温度高于1073K时Na元素具有很强的挥发性,加上在制备方面的困难,使得NaCo2O4的应用受到了限

8、制。Ca3Co4O9具有与NaCo2O4类似的层状结构,由Ca2CoO3和CoO2沿c轴堆叠而成。Ca3Co4O9在温度达[2]到1000K以上时,显示出很好的稳定性。因此是一种极具发展潜力、可取代NaCo2O4的热电材料。212半导体合金热电材料[3]目前研究较成熟并已应用于热电器件的合金热电材料主要有Bi2Te3