热电材料与器件

序

前言

第1章热电转换基本原理

第2章热电材料性能优化策略

第3章热电输运性能的测量

第4章典型热电材料体系及其性能优化

第5章低维结构及纳米复合热电材料

第6章导电聚合物及其纳米复合热电材料

第7章热电器件设计集成与应用

关键词索引 2100433B

本书比较全面地梳理和总结了热电材料与器件研究领域的基础理论和新的发现，同时基于作者过去20余年从事热电材料研究所积累的创新科研成果，并结合国内外该领域的研究进展和相关理论，系统阐述了热电材料的多尺度结构设计与性能调控策略，总结了器件设计集成与应用技术的最新研究成果。本书特别注重基本物理效应与高性能热电材料设计合成的融合，并且对该领域的未来发展和挑战提出了作者的基本思考，利于启发读者的创新思维。

第1章绪论001

1.1热电材料研究概述003

1.1.1热电学研究简史005

1.1.2热电材料研究的最新进展009

1.2热电材料及器件的基本原理014

1.2.1热电效应014

1.2.2热电器件工作原理016

1.3方钴矿基热电材料的研究进展022

1.3.1方钴矿热电材料的结构与组成023

1.3.2方钴矿热电材料性能改善的几种方法023

1.3.3高温高压制备热电材料的特点026

1.4研究目的和研究内容028

第2章热电材料的制备方法及高压制备的基本技术031

2.1热电材料的常压制备方法033

2.1.1熔铸法033

2.1.2粉末冶金法033

2.1.3机械合金化法034

2.1.4水热合成法035

2.1.5真空镀膜法035

2.2高压合成技术036

2.2.1六面顶液压机简介036

2.2.2合成压力的标定037

2.2.3合成腔体温度的测量、控制及组装038

2.3电阻率的测量方法041

2.4Seebeck系数的测量技术045

2.5热导率的测量046

2.6热电材料的应用048

2.6.1温差发电048

2.6.2温差电制冷原理050

2.6.3太空探测051

2.6.4汽车尾气发电052

2.6.5热电制冷的应用053

第3章PbxCo4Sb11.5Te0.5热电材料的高压制备及热电性能研究055

3.1引言057

3.2样品的制备与晶体结构表征058

3.3室温下PbxCo4Sb11.5Te0.5样品的电学性能研究060

3.3.1PbxCo4Sb11.5Te0.5的电阻率与合成压力间的变化关系060

3.3.2PbxCo4Sb11.5Te0.5的Seebeck系数与合成压力间的变化关系062

3.3.3PbxCo4Sb11.5Te0.5的功率因子与合成压力间的变化关系063

3.4Pb的填充量对PbxCo4Sb11.5Te0.5电学性能的影响064

3.4.1Pb的填充量对PbxCo4Sb11.5Te0.5电阻率的影响064

3.4.2Pb的填充量对PbxCo4Sb11.5Te0.5的Seebeck系数的影响065

3.4.3Pb的填充量对PbxCo4Sb11.5Te0.5功率因子的影响067

3.5小结067

第4章Pb和Ba双填充热电材料PbxBayCo4Sb11.5Te0.5的高温高压制备与热电性能研究069

4.1引言071

4.2PbxBayCo4Sb11.5Te0.5热电材料的高压合成072

4.31.5GPa下合成的PbxBayCo4Sb11.5Te0.5的结构与形貌分析073

4.3.1高压合成PbxBayCo4Sb11.5Te0.5的结构分析073

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

4.4PbxBayCo4Sb11.5Te0.5的热电性能表征075

4.4.1填充量与PbxBayCo4Sb11.5Te0.5电阻率的变化关系075

4.4.2填充量与PbxBayCo4Sb11.5Te0.5的Seebeck系数间的变化关系076

4.4.3填充量与PbxBayCo4Sb11.5Te0.5功率因子的变化关系077

4.4.4填充量与PbxBayCo4Sb11.5Te0.5热导率的变化关系078

4.4.5填充量与PbxBayCo4Sb11.5Te0.5的ZT值的变化关系080

4.5不同压力下合成的Pb0.05Ba0.25Co4Sb11.5Te0.5的热电性能表征081

4.5.1压力对Pb0.05Ba0.25Co4Sb11.5Te0.5电阻率的影响081

4.5.2压力对Pb0.05Ba0.25Co4Sb11.5Te0.5 Seebeck系数的影响082

4.5.3压力对Pb0.05Ba0.25Co4Sb11.5Te0.5功率因子的影响083

4.5.4压力对Pb0.05Ba0.25Co4Sb11.5Te0.5热导率的影响084

4.5.5压力对Pb0.05Ba0.25Co4Sb11.5Te0.5的ZT值的影响086

4.6小结086

第5章InxCo4Sb12方钴矿热电材料的高压制备和热电性能研究089

5.1引言091

5.2In填充型方钴矿化合物的高压合成与结构表征091

5.2.1实验过程091

5.2.2样品InxCo4Sb12的结构表征092

5.3高压合成InxCo4Sb12的热电性能093

5.3.1InxCo4Sb12的电阻率测试与分析093

5.3.2InxCo4Sb12的Seebeck系数测试与分析094

5.3.3InxCo4Sb12的功率因子测试与分析095

5.3.4InxCo4Sb12的热导率测试与分析095

5.3.5InxCo4Sb12的ZT值测试与分析097

5.4小结098

第6章InxM0.2Co4Sb12(M=Ba Pb)的高压制备和热电性能研究099

6.1引言101

6.2InxM0.2Co4Sb12(M=Ba Pb)高温高压的合成101

6.2.1InxM0.2Co4Sb12(M=Ba Pb)的结构分析102

6.2.2InxM0.2Co4Sb12(M=Ba Pb)的电学性能分析103

6.2.3InxM0.2Co4Sb12的热学性能分析106

6.2.4InxM0.2Co4Sb12的ZT值分析107

6.3小结108

第7章In填充Ge置换型CoSb3方钴矿热电材料的高压制备和热电性能研究109

7.1引言111

7.2In0.5Co4Sb12-xGex热电材料的高压合成111

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

7.3.1不同浓度的Ge置换样品的XRD衍射图谱111

7.3.2In0.5Co4Sb12-xGex的电阻率测试分析112

7.3.3In0.5Co4Sb12-xGex的Seebeck系数测试分析113

7.3.4In0.5Co4Sb12-xGex的功率因子测试分析114

7.3.5In0.5Co4Sb12-xGex的热导率测试分析115

7.3.6In0.5Co4Sb12-xGex的ZT值与温度变化关系116

7.4不同压力下合成的In0.5Co4Sb11Ge的热电性能表征116

7.4.1压力对In0.5Co4Sb11Ge样品电阻率的影响116

7.4.2压力对In0.5Co4Sb11Ge的Seebeck系数的影响119

7.4.3压力对In0.5Co4Sb11Ge样品功率因子的影响120

7.4.4压力对In0.5Co4Sb11Ge样品热导率的影响121

7.4.5压力对In0.5Co4Sb11Ge样品ZT值的影响122

7.5小结122

第8章BaxIn0.2－xCo4Sb11.5Te0.5热电材料的高压制备及热电性能研究125

8.1BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5热电材料的高压制备127

8.2高压合成BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5热电材料的结构与显微形貌分析127

8.2.1高压合成BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5的结构分析127

8.2.2高压合成BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5的显微形貌分析128

8.3高压合成BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5热电材料的热电性能表征129

8.3.1压力对BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5Seebeck系数的影响129

8.3.2合成压力对BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5电阻率的影响130

8.3.3合成压力对BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5功率因子的影响131

8.3.4合成压力对BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5热导率的影响132

8.3.5合成压力对BaxIn0.2-xCo4Sb11.5Te0.5Z值的影响134

8.4本章小结135

第9章结论与展望137

9.1结论139

9.2展望142

参考文献144

热电材料特点

制造热电发电机或热电致冷器的材料称为热电材料,是一种能实现电能与热能交互转变的材料。其优点如下:

（1）体积小,重量轻，坚固,且工作中无噪音;（2）温度控制可在±0.1℃之内;（3）不必使用CFC(CFC氯氟碳类物质，氟里昂。被认为会破坏臭气层)，不会造成任何环境污染;（4）可回收热源并转变成电能(节约能源)，使用寿命长，易于控制。

虽然其优点众多，但利用热电材料制成的装置其效率(<10%)仍远比传统冰箱或发电机小。所以若能大幅度提升这些热电材料的效率，将对广泛用于露营的手提式致冷器，太空应用和半导体晶片冷却等产生相当重要的影响。家庭与工业上的冷却将因热电装置无运动的部件，是坚固的，安静的，可靠的，且避免使用会破坏臭气层的含氯氟碳氢化合物。热电材料需要有高导电性以避免电阻所引起电功率之损失，同时亦需具有低热传导系数以使冷热两端的温差不会因热传导而改变。

热电材料热电优值

材料的热电效率可定义热电优值 (Thermoelectric figure of merit) ZT来评估:

其中，S为塞贝克系数(thermoelectric power or Seebeck coefficient)，T为绝对温度，σ为电导率，κ为导热系数。为了有一较高热电优值ZT，材料必须有高的塞贝克系数(S)，高的电导率与低的导热系数。

本书共9章，主要介绍了热电材料的现状、制备方法、高压合成理论介绍、热电性能测试方法以及不同种类的材料制备和性能研究等内容。

本书具有较强的知识性和针对性,可供材料科学与工程、热电材料、环境工程等领域的科研人员、技术人员和管理人员阅读，也可供高等学校材料科学与工程、环境工程等相关专业的师生参考。