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功能材料及其应用)第四章热电材料详解ppt

日期:2020-02-04 11:04浏览次数:

  第四章 热电资料 所谓热电资料即是把热转嫁为电的资料。本章讲述的热电资料为温差电动势资料,热电导资料和热释电资料。 第四章 热电资料 一、温差电动势效应 (一) 塞贝克效应 由两种分别的导体(或半导体)A、B构成的闭合回途,当两接点依旧正在分别温度 T1,T2 时,回途中将有电流 I 通过,此回途称热电回途。 回途中展现的电流称为热电流。 回途中展现的电动势 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。 第四章 热电资料 一、温差电动势效应 (一) 塞贝克效应 第四章 热电资料 一、温差电动势效应 (一) 塞贝克效应 △V与两接点间的温差△T 相合。当△T 很幼 时,△V与△T 成正比相合。界说△V 对△T 的微分热电动势为: 第四章 热电资料 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 资料的塞贝克系数。 而 EAB=SAB△T 或 式中 △T=T1-T2。 第四章 热电资料 一、温差电动势效应 (二) 温差电热效应 正在热电回途中,正与两接点间的温度差而惹起的塞贝克电动势相反,通电时,正在回途中会惹起两种热效应,珀尔帖和汤姆逊热效应。 前者展现正在电极的两个接头处;后者爆发正在两个电极上。 第四章 热电资料 一、温差电动势效应 (二) 温差电热效应 1. 珀尔帖热效应 正在热电回途的两个接头处,当电流 I 流过期将爆发可逆的热效应,即有 △Q ∏ 的摄取或开释(依电流的对象而定), 其巨细与电流 I 和流畅的时分△t 成正比,即 △QII=∏ABI△t 式中的比例系数∏ AB 称为珀尔帖系数,其巨细等于接点处通过单元电荷时摄取(或开释)的热量。 这种可逆的温差电热效应由珀尔帖 (Peltier) 正在 1834 年涌现的。 第四章 热电资料 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。 因为珀尔帖效应,会使回途中一个接头发烧,一个接头致冷。 骨子上是塞贝克效应的逆效应。 第四章 热电资料 一、温差电动势效应 (二) 温差电热效应 2. 汤姆逊热效应 正在热电回途中,流过电流 I 时,正在存正在温度梯度 dT/dx 的导体上也将展现可逆的热效应 ,是放热照样吸热,依温度梯度和电流的对象而定,热效应的巨细△QT与电流I、温度梯度 dT/dx 和通电流的时分△t 成正比,即 第四章 热电资料 一、温差电动势效应 (二) 温差电热效应 2. 汤姆逊热效应 第四章 热电资料 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合联起来获得汤姆逊相合式: ∏ AB≈TSAB 或 μA-μB≈T(dSAB)/dT μA、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。 第四章 热电资料 一、温差电动势效应 (三) 接点--介质温差效应 用半导体和两种分别金属连结成一个回途(半导体正在两金属中央)并使半导体温度大于介质温度,即可形成电动势。 这也是一种温差效应。 第四章 热电资料 二、温差电动势资料的特性值 (一) 塞贝克系数 SAB、SA、SB 此值与资料形成的热电动势巨细有直接相合。 已研造的组合温差电动势资料近 300种,个中 l5 种一经成为国度准则化产物。 个中,大范畴批量坐蓐,工业上运用最通常的 8 种,国际电工委员会 (IEC) 己同意了国际联合的准则分度表并划定用字母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。 第四章 热电资料 二、温差电动势资料的特性值 (二) 温差电(势)效能η 第四章 热电资料 二、温差电动势资料的特性值 (二) 温差电(势)效能η 而 Z=S2/λρ,Z 称为绝对灵巧度。 式中 SAB --资料 A 和 B 的塞贝克相对系数; λA、λB --A、B 资料的热导率; ρA、ρB --A、B 资料的电阻率。 对温差电动势资料恳求 SAB 值高,λA、λB、ρA、ρB值低,如此才具使 ZAB 值高。 然而,假使资料举动热泵用处时恳求λ 值高,所以,这时恳求 SAB 更高,ρ要更低,才具使得 ZAB 值高。 第四章 热电资料 三、温差电动势资料的品种 1. 合金 常用的热电极资料中,合金类占很大比例,常用的有: 铜-康铜(60%Cu,40%Ni)适于 –200~400℃行使。 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℃行使。 金-金铁(Au-0.03%Fe,99.7%Au)适于<1O K 行使。 第四章 热电资料 三、温差电动势资料的品种 2. 半导体合金 可作温差电动势资料的又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℃足下温度首要以行使Bi2Te3为主;500℃足下行使PbTe、GeTe、AgSbTe2、SnTe或者它们的合金资料;1 000℃行使FeSi2和GeSi合金等。 第四章 热电资料 三、温差电动势资料的品种 3. 化合物 少少化合物可作温差电动势资料,如氧化物、硫化物、氮化物、硼化物和硅化物。 个中硅化物的 S 最高,故运用远景好。 第四章 热电资料 四、温差电动势资料的运用 温差电动势资料首要运用正在两个方面: 一方面造造热电偶用于测温,这方面运用的资料首要是高纯金属和合金资料; 另一方面可造造温差电堆,用来发电或做致冷器,这类器件所用的资料首要是高掺杂半导体资料。 1. 热电偶资料 热电偶品种良多,已研造的组合热电偶资料近300种,秒速赛车彩票注册平台一经准则化的15种,工业上通常运用的8种。我国及表洋都有相应准则代号。能够依照须要选用。 第四章 热电资料 四、温差电动势资料的运用 2. 造造热器件 热电器件运用首要是举动温差发电和致冷器,温差发电和致冷的职责道理虽分别,但它们的资料相似。 所以,常把它们联合推敲做成既能举动发电器或热泵又可举动致冷器的安装,用半导体热电职能做成的温差发电,其本钱高效能低,但它常用于供电未便利的地方如高山、南极、月球等处发电。 半导体致冷器固然本钱高价值贵,但它可做到体积幼、无振动、无噪声及易控温,所以,正在科研及仪器上运用很广。 第四章 热电资料 热电导资料又称为热敏资料。而骨子上它是温敏资料。 它是主要的传感对象料。 一、热电导效应 当温度升高时,资料的电导率爆发较大改变的一类资料称为热电导资料。 所以,骨子上是温电导资料。 第四章 热电资料 二、热电导资料的特性值 1.电导率的温度系数 它是热电导资料的主要参数。电导率的温度系数ασ流露式为: 第四章 热电资料 二、热电导资料的特性值 1.电导率的温度系数 因为σ =1/ρ,以是 第四章 热电资料 二、热电导资料的特性值 2. 耗散系数 H 第四章 热电资料 二、热电导资料的特性值 3. 功率灵巧度 ερ 第四章 热电资料 二、热电导资料的特性值 3. 功率灵巧度 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) 第四章 热电资料 二、热电导资料的特性值 4. 灵巧阀值 灵巧阀值是可测出电阻改变的最幼(热值)功。数目级正在 10-9W足下。 第四章 热电资料 三、热电导资料的品种 1. 正温度系数热电导资料 这类资料大批是半导性的金属氧化物和过渡金属的复合氧化物。 其特征是温度增高,电导率扩充,其ασ>0,αρ<0。 2. 负温度系数热电导资料 这类资料首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鲜明扩充。当 T 趋于临界温度 Tc 时,σ快速降落(此时的ασ<<O),这是由于此时陶瓷颗粒边缘造成一层很薄的高阻层。使σ正在温度扩充时降落,成为负温度系数热电导资料。 第四章 热电资料 四、热电导资料的运用 热电导资料能够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相合,电阻值随时分安谧性好。 这类合金有钴基、镍基和铁基,这类合金通常用于航空、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。 第四章 热电资料 四、热电导资料的运用 热电导资料除合金表又有半导体。 半导体的本质大批是会随温度而改变的,比方资料的电阻率会随温度升高而低落。 使用这个本质能够做半导体热敏器件,如做二极管温度敏锐器件。还能够做半导体热敏传感器。 此表,热电导资料也可用于造造红表探测器元件,如做红表成像集成阵列等。 第四章 热电资料 一、热释电效应 热释电效应是指当某些晶体受温度改变影响时,因为自愿极化的相应改变而正在晶体的肯定对象上形成表表电荷。这一效应称为热释电效应。 热释电效应反响了晶体的电量与温度之间的相合,可用下式大略流露: △Ps=P△T 式中 Ps --自愿极化强度; P --热释电系数; T --温度。 第四章 热电资料 一、热释电效应 由此可见,晶体中存正在热释电效应的条件是拥有自愿极化,也即是说,晶体组织的某些对象的正负电荷重心不重合,故存正在固有电矩。 所以,拥有对称中央的晶体将不恐怕拥有热释电效应,正在这点上它与压电晶体是相同的。 然而,压电晶体不愿定都拥有自愿极化。 而晶体组织中存正在着与其他极轴不类似的惟一极轴(极化轴)时,如此才有恐怕因热膨胀而惹起总电矩的改变,即展现热释电效应。 第四章 热电资料 一、热释电效应 所以,所谓热释电效应是指热释电资料受到热辐射后,晶体自愿极化强度Ps随温度改变而改变(其改变系数为dPs/dT), 所以其表表电荷也爆发改变。 假使正在晶体两头连结一负载Rs,则会形成电位差△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 第四章 热电资料 一、热释电效应 以是 第四章 热电资料 二、热释电资料的特性值 量度热释电资料的热释电效应的巨细的参数,也即热释电资料的特性值首要有: 1.热释电系数dPs/dT 热释电系数反响热释电资料受到热辐射后形成自愿极化强度随温度改变的巨细。 故热释电系数越大越好。 2. 吸热流量Φ 它代表单元时分吸热的多少,热释电资料的Φ要大。 第四章 热电资料 二、热释电资料的特性值 3. 居里点或矫顽场 热释电资料有一大类是铁电体,对这类热释电资料居里点要高或者矫顽场要大。 第四章 热电资料 三、热释电资料的品种 热释电资料有晶体和高聚物晶体两大类。 1. 晶体 正在32个点群中,也即是正在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,其一是拥有自愿极化,但自愿极化不行为表电场地转向的晶体,如电气石、CaS、CaSe、Li2SO4·H20、ZnO等,每每称它们为热释电晶体; 第四章 热电资料 三、热释电资料的品种 1. 晶体 另一类是自愿极化可认为表电场地转向的晶体,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大批能够造成多晶陶瓷体,陶瓷体过程强直流电场的极化管理后,能从各向同性体造成各向异性体,并拥有赢余极化,就像单晶体相似显示热释电效应。 这类资料的热释电系数高,职能安谧。 加上陶瓷多晶体例备大略,易加工,易改性,本钱低,所以,已成为一类很有前程的热释电资料。 第四章 热电资料 三、热释电资料的品种 2. 有机高聚物晶体 聚偏二氟乙烯(PVDF)等热释电资料,其便宜是可造成大面积,且造作工艺大略,价值低廉。 PVDF 厚度越幼,热释电系数越大。 这类热释电资料日常作成 10~50 μm 厚的薄膜行使。 第四章 热电资料 四、热释电资料的运用 热释电资料可作热释电探测器行使。 个中锆钛酸铅 [Pb(Zr,Ti)03] 铁电 -顺电相变陶瓷资料,因为改性省略了热滞,使它显示了优秀的热释电职能,已造成了单个探测器和矩阵,正在红表探测和热成像体例中获得运用。 自20世纪 70 年代初 Bergman报道了 PVDF 也拥有热释电性,现正在对生物高分子的热电效用如羊毛、骨、腱等的热电性也起首了探究。 第四章 热电资料 四、热释电资料的运用 因为 PVDF 的静电、压电、热电、铁电方面的优秀职能,更加柔韧,大面积成膜性好,更令探究者醒目。 热电能转换器已商品化。 对 PVDF 热释电效应的探究目前正在国际国内照旧是至极活泼的规模。 我国20世纪60年代中期已起首对 PVDF 举行探究。 §4.3 热释电资料 §4.3 热释电资料 A --电极面积; dPs/dT --热释电系数; Rs --负载电阻; dT/dt―― 加热速度。 §4.3 热释电资料 式中 φ――吸热流量; Cp 一-资料的比热; ρ--资料密度; d --资料厚度; dT/dt --加热速度。 §4.3 热释电资料 §4.3 热释电资料 §4.3 热释电资料 §4.3 热释电资料 §4.3 热释电资料 §4.3 热释电资料 §4.3 热释电资料 §4.1 温差电动势资料 §4.1 温差电动势资料 热回途中存正在的热电动势为EAB。如图 2-(b) 所示,将回途断开,正在断开处α、b 间便展现电势差△V =Vab=Vb-Va,当电流由导体 A 流诱导体 B 时,称 A 为正极,B 为负极。 §4.1 温差电动势资料 或称 SAB 为资料 A 和 B 的塞贝克系数。它是热电偶最主要的特性量。 §4.1 温差电动势资料 §4.1 温差电动势资料 §4.1 温差电动势资料 §4.1 温差电动势资料 §4.1 温差电动势资料 §4.1 温差电动势资料 式中比例系数μ称为汤姆逊系数,其代表单元电荷通过单元温度梯度时所摄取(或开释)的热量。 这种可逆的温差电热效应是由汤姆逊 (Thomsow) 从表面上预言的。 §4.1 温差电动势资料 §4.1 温差电动势资料 §4.1 温差电动势资料 §4.1 温差电动势资料 式中 △T=Ti-T0; Ti--热源温度;T0--冷源温度; ZAB--相对灵巧度。 当Ti、T0肯定时,ZAB扩充,η也扩充,也即是ZAB大时效能也就高。 §4.1 温差电动势资料 §4.1 温差电动势资料 §4.1 温差电动势资料 §4.1 温差电动势资料 §4.1 温差电动势资料 §4.1 温差电动势资料 §4.2 热电导资料 §4.2 热电导资料 式中 ασ--电导率的温度系数; σ--电导率。 §4.2 热电导资料 式中 αρ--电阻率的温度系数; ρ--电阻率。 § 4.2 热电导资料 式中 P--热敏资料中耗散的输入功率; TT --热敏资料的温度; T0--边缘介质的温度。 §4.2 热电导资料 式中 αρ--电阻率的温度系数; C --资料的热容。 ερ的物理意思为低落热敏资料内的电阻率的1/100所需的功(率)值。 §4.2 热电导资料 §4.2 热电导资料 §4.2 热电导资料 §4.2 热电导资料 §4.2 热电导资料 §4.3 热释电资料 * *