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碲化铋-纳米凹土基热电转换材料

发布日期:2017-07-13 浏览次数:51

项目概况:
  热电材料是一类基于半导体的赛贝克效应和帕尔贴效应实现热能与电能直接相互耦合、相互转化的功能材料。随着能源危机与环境污染的日益严重,热电材料器件因其自身具有结构紧凑、无移动件、工作时无噪音、寿命长、无污染、可精确控制等优点引起了人们广泛的关注。目前,热电材料的应用形式包括热电发电和热电制冷两种:热电制冷可用于冷却微处理器和多芯片模块、通讯设备中的带通滤波器、红外传感器、探测器、前视红外跟踪系统及温度恒定的光学系统等;热电发电可将垃圾燃烧、工厂或汽车产生的废热发电,还可应用于空间探测器上的无线电信号发射仪、计算机、罗盘等设施的发电装置上。

  碲化铋基合金是一类室温附近性能最佳的热电材料,在热电致冷领域享有其他材料不可替代的地位,美国、俄罗斯、日本等国已在二十世纪六十年代实现了该材料的产业化,热电制冷技术在美国、俄罗斯研制的和平站、国际空间站和月球-火星探测中已经得到应用。自20世纪90年代开始,美国、日本、欧盟等发达国家和地区均加大了在热电转换技术方面的投入,形成了越来越激烈的竞争态势,美国能源部(DOE)已开展多个有关热电转换材料、元器件和系统技术的大型项目;日本能源开发机构(NEDO)等部门也正在实施多项重大攻关项目,开发高性能热电转换材料与器件制备技术。

  由于碲化铋基热电材料具有各向异性,商业化生产中通常采用区熔法、布里奇曼法或Czochralski等晶体生长的制备方法,以获得具有优良热电性能的晶体材料;但在另一方面,由于碲化铋的层状晶体结构导致其容易解理,所获得单晶或多晶材料的机械强度低、加工性能差,这不仅严重影响了元器件的生产成本(材料利用率不到30%)和元器件的可靠性,而且严重制约了元器件的进一步微型化和高性能化。利用烧结法虽然可以提高碲化铋基材料的力学性能,但却降低了其热电性能。开发同时具有高强度和高热电性能的碲化铋基材料是近几年热电致冷领域亟待解决的重要课题。


  主要技术创新点:
  本项目针对热电制冷应用,主要以碲化铋基合金为研究对象,采用区域熔炼的方法,通过在碲化铋基体中加入纳米凹凸棒石制备了p型碲化铋基纳米复合材料,并对材料的化学组分优化设计、新型制备工艺技术等均进行了深入细致的研究,所研制的碲化铋/凹凸棒石基烧结材料在室温附近的ZT值可达1.4,与现有碲化铋材料相比提高约40%,且力学性能得到显着提升,从而提高了材料的利用率并改善了器件的可靠性。


  效益预计分析:
  碲化铋基热电转换材料作为热电制冷器件在激光二极管、光纤接头、CCD、红外探测和遥感等需要冷却的光电子技术领域已经广泛应用于局部制冷和高精度温度控制。此外,还有很多有待于进一步开发或潜在的应用前景,如计算机CPU冷却系统、便携式汽车冷暖箱、冷热饮水机、冷藏柜、半导体空调等。碲化铋的晶体结构属三方晶系,由于其各向异性,通常采用晶体生长的方法以获得具有理想热电性能的晶体材料,但相邻的Te原子层间以较弱的范德华力结合而极易发生解理,较低的机械强度造成材料的加工困难、良品率低,严重影响了其实际应用。近年来,随着通讯、信息等高新技术的飞速发展,各种光、电、机械器件越来越趋于小型化或微型化,从而要求热电致冷组件进一步微型化和致冷能力的高性能化。因此,本项目开发的高强度、高性能碲化铋-纳米凹土基复合热电材料对于提高热电转换系统的经济性以及微型热电制冷器件的开发具有重要的意义,具有十分可观的市场前景和经济效益。


       专利情况:
  本项目已获得2项授权发明专利。


       合作意向:
  合作开发、技术转让。

  

中科院宁波材料所盱眙凹土研发中心

联系人:许高杰  电话:13454705646