页数：41页文件大小：294.8 KB来源： 功能材料及其应用ppt课件
本课件围绕热能向电能的转换展开，先说明塞贝克效应、温差电动势与塞贝克系数，再讲珀耳帖效应和汤姆逊效应构成的温差电回路，随后介绍热电导材料的热敏特性与热释电材料的电荷响应。
所谓热电材料就是把热转变为电的材料。本章讲述的热电材料为温差电动势材料，热电导材料和热释电材料。
一、温差电动势效应(一)塞贝克效应由两种不同的导体(或半导体)A、B组成的闭合回路，当两接点保持在不同温度T1，T2时，回路中将有电流I通过，此回路称热电回路。回路中出现的电流称为热电流。回路中出现的电动势EAB称为塞贝克电动势。
此效应称为塞贝克效应。如图4-1所示。
一、温差电动势效应(一)塞贝克效应§4.1温差电动势材料热回路中存在的热电动势为EAB。如图2-(b)所示，将回路断开，在断开处α、b间便出现电势差△V=Vab＝Vb-Va，当电流由导体A流向导体B时，称A为正极，B为负极。
一、温差电动势效应(一)塞贝克效应△V与两接点间的温差△T有关。当△T很小时，△V与△T成正比关系。定义△V对△T的微分热电动势为
一、温差电动势效应(一)塞贝克效应当电流由热端2经A流向1时SAB为正，反之SAB为负。SAB=SA-SB式中SA、SB－－A、B材料的塞贝克系数。而EAB=SAB△T或式中△T＝T1-T2。
一、温差电动势效应(二)温差电热效应在热电回路中，正与两接点间的温度差而引起的塞贝克电动势相反，通电时，在回路中会引起两种热效应，珀尔帖和汤姆逊热效应。前者出现在电极的两个接头处；后者发生在两个电极上。
一、温差电动势效应(二)温差电热效应1.珀尔帖热效应在热电回路的两个接头处，当电流I流过时将发生可逆的热效应，即有△Q∏的吸收或释放(依电流的方向而定),其大小与电流I和流通的时间△t成正比，即△QII=∏ABI△t式中的比例系数∏AB称为珀尔帖系数，其大小等于接点处通过单位电荷时吸收(或释放)的热量。
这种可逆的温差电热效应由珀尔帖(Peltier)在1834年发现的。
一、温差电动势效应(二)温差电热效应1.珀尔帖热效应∏AB的符号放热为负；吸热为正。上式中∏AB为导体A和B的珀尔帖系数；I为通电的电流强度。而∏AB=∏A-∏B式中∏A、∏B－－导体A、B的珀尔帖系数。
由于珀尔帖效应，会使回路中一个接头发热，一个接头致冷。实质上是塞贝克效应的逆效应。
一、温差电动势效应(二)温差电热效应2.汤姆逊热效应在热电回路中，流过电流I时，在存在温度梯度dT/dx的导体上也将出现可逆的热效应,是放热还是吸热，依温度梯度和电流的方向而定，热效应的大小△QT与电流I、温度梯度dT/dx和通电流的时间△t成正比，即
一、温差电动势效应(二)温差电热效应2.汤姆逊热效应§4.1温差电动势材料式中比例系数μ称为汤姆逊系数，其代表单位电荷通过单位温度梯度时所吸收(或释放)的热量。这种可逆的温差电热效应是由汤姆逊(Thomsow)从理论上预言的。
一、温差电动势效应(二)温差电热效应2.汤姆逊热效应汤姆逊又将两种温差电热效应的系数与温差热电效应的塞贝克系数联系起来得到汤姆逊关系式：∏AB≈TSAB或μA-μB≈T(dSAB)/dTμA、μB－－导体A、B的汤姆逊系数；∏AB－－温度为T的导体A和B接头处的珀尔帖系数；SAB－－热电偶A和B的热接点温度为T时的塞贝克系数；T－－绝对温度。
一、温差电动势效应(三)接点－－介质温差效应用半导体和两种不同金属连接成一个回路(半导体在两金属中间)并使半导体温度大于介质温度，即可产生电动势。这也是一种温差效应。
二、温差电动势材料的特征值(一)塞贝克系数SAB、SA、SB此值与材料产生的热电动势大小有直接关系。已研制的组合温差电动势材料近300种，其中l5种已经成为国家标准化产品。
其中，大规模批量生产，工业上应用最广泛的8种，国际电工委员会(IEC)己制定了国际统一的标准分度表并规定用字母B、E、J、K、N、R、S和T为这些热电偶的代号，用P字母代表正极，N代表负极。
二、温差电动势材料的特征值(二)温差电(势)效率η§4.1温差电动势材料式中△T=Ti-T0；Ti－－热源温度；T0－－冷源温度；ZAB－－相对灵敏度。当Ti、T0一定时，ZAB增加，η也增加，也就是ZAB大时效率也就高。
二、温差电动势材料的特征值(二)温差电(势)效率η而Z=S2/λρ，Z称为绝对灵敏度。式中SAB－－材料A和B的塞贝克相对系数；λA、λB－－A、B材料的热导率；ρA、ρB－－A、B材料的电阻率。
对温差电动势材料要求SAB值高，λA、λB、ρA、ρB值低，这样才能使ZAB值高。但是，如果材料作为热泵用途时要求λ值高，因此，这时要求SAB更高，ρ要更低，才能使得ZAB值高。
三、温差电动势材料的种类1.合金常用的热电极材料中，合金类占很大比例，常用的有：铜－康铜(60%Cu，40%Ni)适于–200～400℃使用。镍铬－镍铝(90%Ni，10%Cr-95%Ni，5%Al)适于O～1000℃用。
铂－铂铑(Pt-13%Rh，87%Pt)适于O～1500℃使用。金－金铁(Au-0.03%Fe，99.7%Au)适于＜1OK使用。
三、温差电动势材料的种类2.半导体合金可作温差电动势材料的还有一类是半导体合金，如碲化铋(Bi2Te3)；硒化铋(Bi2Se3)；碲化锑(Sb2Te3)；碲化铅(PbTe)等等。
200℃左右温度主要以使用Bi2Te3为主；500℃左右使用PbTe、GeTe、AgSbTe2、SnTe或者它们的合金材料；1000℃使用FeSi2和GeSi合金等。
三、温差电动势材料的种类3.化合物一些化合物可作温差电动势材料，如氧化物、硫化物、氮化物、硼化物和硅化物。其中硅化物的S最高，故应用前景好。
四、温差电动势材料的应用温差电动势材料主要应用在两个方面：一方面制作热电偶用于测温，这方面应用的材料主要是高纯金属和合金材料；另一方面可制作温差电堆，用来发电或做致冷器，这类器件所用的材料主要是高掺杂半导体材料。
1.热电偶材料热电偶种类很多，已研制的组合热电偶材料近300种，已经标准化的15种，工业上广泛应用的8种。我国及国外都有相应标准代号。可以根据需要选用。
四、温差电动势材料的应用2.制作热器件热电器件应用主要是作为温差发电和致冷器，温差发电和致冷的工作原理虽不同，但它们的材料类似。
因此，常把它们统一考虑做成既能作为发电器或热泵又可作为致冷器的装置，用半导体热电性能做成的温差发电，其成本高效率低，但它常用于供电不方便的地方如高山、南极、月球等处发电。
半导体致冷器虽然成本高价格贵，但它可做到体积小、无振动、无噪声及易控温，因此，在科研及仪器上应用很广。
二、热电导材料的特征值1.电导率的温度系数它是热电导材料的重要参数。电导率的温度系数ασ表示式为
二、热电导材料的特征值1.电导率的温度系数由于σ=1/ρ，所以
二、热电导材料的特征值2.耗散系数H§4.2热电导材料式中P－－热敏材料中耗散的输入功率；TT－－热敏材料的温度；T0－－周围介质的温度。
二、热电导材料的特征值3.功率灵敏度ερ§4.2热电导材料式中αρ－－电阻率的温度系数；C－－材料的热容。ερ的物理意义为降低热敏材料内的电阻率的1/100所需的功(率)值。
二、热电导材料的特征值3.功率灵敏度ερ下面推导ερ式：(ρ/100):ερ=αρ△T·ρ:Q而Q=C·△T，则ρ/100:ερ=αρ△Tρ:C△T得ερ=C/(100αρ)
二、热电导材料的特征值4.灵敏阀值灵敏阀值是可测出电阻变化的最小(热值)功。数量级在10-9W左右。
三、热电导材料的种类1.正温度系数热电导材料这类材料多数是半导性的金属氧化物和过渡金属的复合氧化物。其特点是温度增高，电导率增加，其ασ＞0，αρ＜0。2.负温度系数热电导材料这类材料主要为掺杂半导体陶器如镧掺杂的钛酸坝，钛酸银陶瓷。
掺杂半导体陶瓷的电导率σ明显增加。当T趋于临界温度Tc时，σ急剧下降(此时的ασ＜＜O)，这是因为此时陶瓷颗粒周围形成一层很薄的高阻层。使σ在温度增加时下降，成为负温度系数热电导材料。
四、热电导材料的应用热电导材料可以作热敏电阻等热敏元件。热敏电阻合金的电阻温度系数要大，电阻值与温度呈线性关系，电阻值随时间稳定性好。这类合金有钴基、镍基和铁基，这类合金广泛用于航空、航天器中的大气温度加热器、家用电器元件。
如电褥、电熨斗、电烙铁等。
四、热电导材料的应用热电导材料除合金外还有半导体。半导体的性质多数是会随温度而变化的，例如材料的电阻率会随温度升高而降低。利用这个性质可以做半导体热敏器件，如做二极管温度敏感器件。还可以做半导体热敏传感器。
另外，热电导材料也可用于制作红外探测器元件，如做红外成像集成阵列等。
一、热释电效应由此可见，晶体中存在热释电效应的前提是具有自发极化，也就是说，晶体结构的某些方向的正负电荷重心不重合，故存在固有电矩。因此，具有对称中心的晶体将不可能具有热释电效应，在这点上它与压电晶体是一致的。
但是，压电晶体不一定都具有自发极化。而晶体结构中存在着与其他极轴不相同的惟一极轴(极化轴)时，这样才有可能因热膨胀而引起总电矩的变化，即出现热释电效应。
一、热释电效应因此，所谓热释电效应是指热释电材料受到热辐射后，晶体自发极化强度Ps随温度变化而变化(其变化系数为dPs/dT),因此其表面电荷也发生变化。如果在晶体两端连接一负载Rs，则会产生电位差△V，就称为热释电效应。
热释电位差和电流可由以下公式算出
一、热释电效应所以§4.3热释电材料式中φ――吸热流量；Cp一－材料的比热；ρ－－材料密度；d－－材料厚度；dT/dt－－加热速率。
二、热释电材料的特征值衡量热释电材料的热释电效应的大小的参数，也即热释电材料的特征值主要有：1.热释电系数dPs/dT热释电系数反映热释电材料受到热辐射后产生自发极化强度随温度变化的大小。故热释电系数越大越好。
2.吸热流量Φ它代表单位时间吸热的多少，热释电材料的Φ要大。
二、热释电材料的特征值3.居里点或矫顽场热释电材料有一大类是铁电体，对这类热释电材料居里点要高或者矫顽场要大。
三、热释电材料的种类热释电材料有晶体和高聚物晶体两大类。1.晶体在32个点群中，也就是在32类晶体对称类型中，有10类对称型的晶体有热释电效应。它可分为单晶或陶瓷。
这些热释电晶体又可分成两类，其一是具有自发极化，但自发极化不能为外电场所转向的晶体，如电气石、CaS、CaSe、Li2SO4·H
三、热释电材料的种类1.晶体另一类是自发极化可以为外电场所转向的晶体，即铁电晶体，如TGS(硫酸三甘钛)、LiNbO3、LiTaO3、(Ba-Sr)Nb206、PbTiO3、Pb(ZrTi)O3、BaTiO3等。
这些铁电晶体中的大多数可以制成多晶陶瓷体，陶瓷体经过强直流电场的极化处理后，能从各向同性体变成各向异性体，并具有剩余极化，就像单晶体一样显现热释电效应。这类材料的热释电系数高，性能稳定。
加上陶瓷多晶体制备简单，易加工，易改性，成本低，因此，已成为一类很有前途的热释电材料。
三、热释电材料的种类2.有机高聚物晶体聚偏二氟乙烯(PVDF)等热释电材料，其优点是可制成大面积，且制造工艺简单，价格低廉。PVDF厚度越小，热释电系数越大。这类热释电材料一般作成10～50μm厚的薄膜使用。
四、热释电材料的应用热释电材料可作热释电探测器使用。其中锆钛酸铅[Pb(Zr,Ti)03]铁电-顺电相变陶瓷材料，由于改性减少了热滞，使它显示了良好的热释电性能，已制成了单个探测器和矩阵，在红外探测和热成像系统中得到应用。
自20世纪70年代初Bergman报道了PVDF也具有热释电性，现在对生物高分子的热电作用如羊毛、骨、腱等的热电性也开始了研究。
四、热释电材料的应用由于PVDF的静电、压电、热电、铁电方面的良好性能，尤其柔韧，大面积成膜性好，更令研究者注目。热电能转换器已商品化。对PVDF热释电效应的研究目前在国际国内仍然是十分活跃的领域。
我国20世纪60年代中期已开始对PVDF进行研究。
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