热电材料研究进展及其应用
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在20世纪80年代初，美国就完成了 500w～1000W军用温差发电机的研制， 并于80年代末正式列入部队装备，放在 深海中为美国导弹定位系统网络的组成部 分---无线电信号转发系统供电。
1999年美国能源部又启动了“能源收获 科学与技术项目”，研究利用温差发电模 块，将士兵的体热收集起来用于电池充电。
设想中的空天飞机
目前热电材料在超高速飞行器 上的应用设想主要在于高温蒙 皮上的使用和发动机系统余热 的收集 超高速飞行器在高速飞行中， 蒙皮在空气的摩擦作用下产生 高温，其温度可高达800K。 对于携带燃料有限的高速飞行 器，将飞行中产生的热能转换 成电能并储存起来可减少燃料 的使用以提高飞行器的续航能 力。
关于Seebeck效应的理论解释
使用接触电势差可以解释Seebeck效应，由于两种材料
中电子密度不同和逸出功不同，如回路的两接触点温度不 同，两接触电势的代数和不等于零，所产生的接触电势差 就是热电势。
关于Peltier效应的理论解释
电流
空穴
P－Type
电子 N－Type
当电流由P到N时，空穴与电 子复合放热；当电流由N到P 时，空穴与电子背离，接头 处满带电子跃入导带形成自 由电子，这是个吸热过程。
热电材料常用制备方法
熔体生长法 粉末冶金法 气相生长法
块状晶体制备 块状晶体制备 薄膜材料制备
热电材料的优缺点
优点： 1 小、坚固、无需要移动零件 2 使用寿命长 3 无振动和噪音 4 可靠度高，不易损毁 5 环保
缺点： 1 转换效率低（目前约为5％） 2 单价高
热 电 器 件 模 块
二 热电效应的理论解释
氧化物（NaxCa1－x）3Co4O9的Z值
笼式化合物
Slack指出，热电材料应像晶体那样导电同时像 玻璃那样热绝缘。这样的晶体结构中应具有三种 不同的晶体学位置。其中，位于两种晶体学位置 的原子组成基本的晶体结构，从而主宰其能带结 构以保证较高的电导，而第三种原子与周围原子 弱结合，在前两种原子构成的笼状孔隙中振动， 对声子产生散射从而降低热导率，这种材料被称 为PGEC热电材料。
热电材料在高速飞行器中的应用
什么是高速飞行器？
目前在超高速飞行器试验研究 的前沿大致有：
天地往返飞行器，如航天飞机、 空天飞机
高超声速巡航导弹（如美军方 研制中的的“快速反应导弹” ）
高超声速飞机 （NASA的 Hyper-X计划 ），其设计速度 大于8马赫
飞行中的导弹
美军研制中的高速战机
美国全球鹰无人驾驶战机
笼式化合物是由IV族元素形成的典型的PGEC材 料，通式为AxByCz，B和C原子构成富勒烯的笼 式框架，A原子位于笼中。较常见的组成为 A5B8C38 （A=Na,K;B=Al,Ga,In;C=Si,Ge,Sn)。
笼式化合物晶体结构示意图
Half-Heusler合金
Half-Heusler化合物具有 MgAgAs型结构，由两个相互穿 插的面心立方和一个位于中心的 简单立方构成。其结构式为 MNiSn或MCoSb(M=Zr,Ti,Hf)， 这类化合物及合金具有优良的电 学性能，室温Seebeck系数可达 400μV/K。
方钴矿类热电材料晶体结构
低维热电材料
通过理论计算预测，一 维的量子线和二维的量 子阱与相同化学计量比 的体材料相比具有更高 的ZT值，实验结果证明 与模型计算有很好的一 致性。
上图中将Bi纳米线填充于Al2O3 模板制备的低维热电材料显示 了更高的热电优值
氧化物热电材料
1997年日本学者峙崎一郎首次报道钠钴 复合氧化物NaCo2O4不仅具有很高的 Seebeck系数，而且同时具有低的电阻 率和热导率，从而使人们对氧化物热电 材料有了新的看法。 目前针对NaCo2O4和Ca3Co4O9基氧化物 已进行了深入的研究
热电材料研究进展及 其应用
主要内容
一 热电材料简介 二 热电效应的理论解释 三 热电材料最新进展 四 热电材料应用 五 高速飞行器简介及热电材料在其中的
应用展望
一 热电材料简介
什么是热电材料？
热电材料是一种能够 将电能与热能相互转 换的材料。
Seebeck效应
热
电
能
能
Peltier效应
热电效应
Half-Heusler化合物晶体结构
四 热电材料的应用
Peltier冷却器
放射性同位素温差发电器 具有废热利用功能的汽车
目前热电材料的应用主要在于在温差发电和电制冷
可控温车用座垫，经济环保
热电转换模块
单兵作战时身体热能收集
温差传感器实时监控
对汽车余热的回收利用
热电材料目前已取得的应用
温差发电技术成功地在航天器上与放射性 同位素热源联合实现了长时间发电，例如 在旅行者号航天器上持续运行了30年。
空穴
电子
电流
三 热电材料最新进展
方钴矿材料
方钴矿是一类通式为AB3的化合物（其中A是金 属元素，如Ir、Co、Rh、Fe等；B是V族元素， 如As、Sb、P等）。具有复杂的立方晶系晶体 结构。在方钴矿晶胞的孔隙中填入直径较大的 稀土原子，其热导率将大幅度降低。
T.Caillat等以P型CeFe4Sb12基和N型CoSb基 为高温端，以Bi-Sb基为低温端制备梯度热电 单元，热电转换效率达到15％
1 Seebeck效应(热生电现象)
2 Peltier效应(电制冷现象)
3 Thomson效应
单一导体中存在温差，通过电流时 将吸热或放热
热电材料性能表征
1 Seebeck系数（表示材料的热电转换性能）
Sab
lim
t 0
v t
ຫໍສະໝຸດ Baidu
∆v为电压降，∆t为温度差
2 热电优值ZT
ZT S 2abT
К为热导率 ， δ为电导率，T 为绝对温度
阿特克希（Altenkir）发现，热电材料的整体热电性能用热电优 值ZT表示，ZT为无量纲单位。ZT值越大，热电性能越显著。
热电材料种类
1 已有广泛应用的热电材料
Bi2Te3类材料 普冷温区制冷
PbTe类材料 中温区温差发电
SiGe合金 高温区温差发电
2 新型热电材料
方钴矿(Skutterudites)材料 Half-Heusler合金热电材料 氧化物热电材料 低维热电材料 笼式化合物
热电材料用于飞行器蒙皮示意图
1999年美国能源部又启动了“能源收获 科学与技术项目”，研究利用温差发电模 块，将士兵的体热收集起来用于电池充电。
设想中的空天飞机
目前热电材料在超高速飞行器 上的应用设想主要在于高温蒙 皮上的使用和发动机系统余热 的收集 超高速飞行器在高速飞行中， 蒙皮在空气的摩擦作用下产生 高温，其温度可高达800K。 对于携带燃料有限的高速飞行 器，将飞行中产生的热能转换 成电能并储存起来可减少燃料 的使用以提高飞行器的续航能 力。
关于Seebeck效应的理论解释
使用接触电势差可以解释Seebeck效应，由于两种材料
中电子密度不同和逸出功不同，如回路的两接触点温度不 同，两接触电势的代数和不等于零，所产生的接触电势差 就是热电势。
关于Peltier效应的理论解释
电流
空穴
P－Type
电子 N－Type
当电流由P到N时，空穴与电 子复合放热；当电流由N到P 时，空穴与电子背离，接头 处满带电子跃入导带形成自 由电子，这是个吸热过程。
热电材料常用制备方法
熔体生长法 粉末冶金法 气相生长法
块状晶体制备 块状晶体制备 薄膜材料制备
热电材料的优缺点
优点： 1 小、坚固、无需要移动零件 2 使用寿命长 3 无振动和噪音 4 可靠度高，不易损毁 5 环保
缺点： 1 转换效率低（目前约为5％） 2 单价高
热 电 器 件 模 块
二 热电效应的理论解释
氧化物（NaxCa1－x）3Co4O9的Z值
笼式化合物
Slack指出，热电材料应像晶体那样导电同时像 玻璃那样热绝缘。这样的晶体结构中应具有三种 不同的晶体学位置。其中，位于两种晶体学位置 的原子组成基本的晶体结构，从而主宰其能带结 构以保证较高的电导，而第三种原子与周围原子 弱结合，在前两种原子构成的笼状孔隙中振动， 对声子产生散射从而降低热导率，这种材料被称 为PGEC热电材料。
热电材料在高速飞行器中的应用
什么是高速飞行器？
目前在超高速飞行器试验研究 的前沿大致有：
天地往返飞行器，如航天飞机、 空天飞机
高超声速巡航导弹（如美军方 研制中的的“快速反应导弹” ）
高超声速飞机 （NASA的 Hyper-X计划 ），其设计速度 大于8马赫
飞行中的导弹
美军研制中的高速战机
美国全球鹰无人驾驶战机
笼式化合物是由IV族元素形成的典型的PGEC材 料，通式为AxByCz，B和C原子构成富勒烯的笼 式框架，A原子位于笼中。较常见的组成为 A5B8C38 （A=Na,K;B=Al,Ga,In;C=Si,Ge,Sn)。
笼式化合物晶体结构示意图
Half-Heusler合金
Half-Heusler化合物具有 MgAgAs型结构，由两个相互穿 插的面心立方和一个位于中心的 简单立方构成。其结构式为 MNiSn或MCoSb(M=Zr,Ti,Hf)， 这类化合物及合金具有优良的电 学性能，室温Seebeck系数可达 400μV/K。
方钴矿类热电材料晶体结构
低维热电材料
通过理论计算预测，一 维的量子线和二维的量 子阱与相同化学计量比 的体材料相比具有更高 的ZT值，实验结果证明 与模型计算有很好的一 致性。
上图中将Bi纳米线填充于Al2O3 模板制备的低维热电材料显示 了更高的热电优值
氧化物热电材料
1997年日本学者峙崎一郎首次报道钠钴 复合氧化物NaCo2O4不仅具有很高的 Seebeck系数，而且同时具有低的电阻 率和热导率，从而使人们对氧化物热电 材料有了新的看法。 目前针对NaCo2O4和Ca3Co4O9基氧化物 已进行了深入的研究
热电材料研究进展及 其应用
主要内容
一 热电材料简介 二 热电效应的理论解释 三 热电材料最新进展 四 热电材料应用 五 高速飞行器简介及热电材料在其中的
应用展望
一 热电材料简介
什么是热电材料？
热电材料是一种能够 将电能与热能相互转 换的材料。
Seebeck效应
热
电
能
能
Peltier效应
热电效应
Half-Heusler化合物晶体结构
四 热电材料的应用
Peltier冷却器
放射性同位素温差发电器 具有废热利用功能的汽车
目前热电材料的应用主要在于在温差发电和电制冷
可控温车用座垫，经济环保
热电转换模块
单兵作战时身体热能收集
温差传感器实时监控
对汽车余热的回收利用
热电材料目前已取得的应用
温差发电技术成功地在航天器上与放射性 同位素热源联合实现了长时间发电，例如 在旅行者号航天器上持续运行了30年。
空穴
电子
电流
三 热电材料最新进展
方钴矿材料
方钴矿是一类通式为AB3的化合物（其中A是金 属元素，如Ir、Co、Rh、Fe等；B是V族元素， 如As、Sb、P等）。具有复杂的立方晶系晶体 结构。在方钴矿晶胞的孔隙中填入直径较大的 稀土原子，其热导率将大幅度降低。
T.Caillat等以P型CeFe4Sb12基和N型CoSb基 为高温端，以Bi-Sb基为低温端制备梯度热电 单元，热电转换效率达到15％
1 Seebeck效应(热生电现象)
2 Peltier效应(电制冷现象)
3 Thomson效应
单一导体中存在温差，通过电流时 将吸热或放热
热电材料性能表征
1 Seebeck系数（表示材料的热电转换性能）
Sab
lim
t 0
v t
ຫໍສະໝຸດ Baidu
∆v为电压降，∆t为温度差
2 热电优值ZT
ZT S 2abT
К为热导率 ， δ为电导率，T 为绝对温度
阿特克希（Altenkir）发现，热电材料的整体热电性能用热电优 值ZT表示，ZT为无量纲单位。ZT值越大，热电性能越显著。
热电材料种类
1 已有广泛应用的热电材料
Bi2Te3类材料 普冷温区制冷
PbTe类材料 中温区温差发电
SiGe合金 高温区温差发电
2 新型热电材料
方钴矿(Skutterudites)材料 Half-Heusler合金热电材料 氧化物热电材料 低维热电材料 笼式化合物
热电材料用于飞行器蒙皮示意图