fh14-材料的电学性能2热电性能

1、材料性能学材料性能学石家庄铁道大学石家庄铁道大学材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学系：付华材料科学系：付华联系电话：联系电话： QQ: 1115279899 Properties of Materials 授课方法：授课方法：第第1-31-3章：教师主讲。章：教师主讲。第第4-114-11章：课堂讨论为主。章：课堂讨论为主。 下载视频，下载视频，第第12-1512-15章：理论简介。章：理论简介。 案例应用案例应用绪论绪论第第1章章 材料的弹性变形材料的弹性变形第第2章章 材料的塑性变形材料的塑性变形第第3章章 材料的断裂与断裂韧性材料的断裂与断裂韧性第第4章章 材料的扭转材料的扭转

2、/弯曲弯曲/压缩性能压缩性能第第5章章 材料的硬度材料的硬度第第6章章 材料的冲击韧性及低温脆材料的冲击韧性及低温脆性性第第7章章 材料的疲劳性能材料的疲劳性能第第8章章 材料的磨损材料的磨损 第第9章章 材料的高温力学性能材料的高温力学性能 第第10章章 材料在环境介质作用下的材料在环境介质作用下的腐蚀腐蚀 第第11章章 材料的强韧化材料的强韧化 第第12章章 材料的热学性能材料的热学性能 第第13章章 材料的磁学性能材料的磁学性能 第第14章章 材料的电学性能材料的电学性能 第第15章章 材料的光学性能材料的光学性能 材料科学系3l第第14章章 材料的电学性能材料的电学性能l14.1 导电

3、性能导电性能 Conductivityl14.2 热电性能热电性能 Thermoelectricityl14.3 半导体导电性的敏感效应半导体导电性的敏感效应lSensitive effect of Semiconductor conductivityl14.4 介质极化与介电性能介质极化与介电性能lDielectric polarization and dielectricityl14.5 绝缘材料的抗电强度绝缘材料的抗电强度lDielectric strength of insulant 第二部分第二部分 材料的物理性能材料的物理性能材料科学系4热电材料是一种利用固体内部载流子运动热电材料

4、是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料。实现热能和电能直接相互转换的功能材料。材料科学系材料科学系5掌握要点：掌握要点：l三种热电效应包括三种热电效应包括l 、 、和、和 。三种热电效应三种热电效应SeebeckSeebeck效应、效应、PeltierPeltier效应效应 ThompsomThompsom效应效应 。电子逸出功不同，电子逸出功不同， 自由电子密度不同；自由电子密度不同；材料科学系714.2 热电性能 Thermoelectricity三种热电效应：热电理论的基础三种热电效应：热电理论的基础 。Thermoelectric Effect当受热物体中的电

5、子当受热物体中的电子(空穴空穴)，因随着温度梯度，因随着温度梯度由高温区往低温区移动时，产生电流或电势（电荷由高温区往低温区移动时，产生电流或电势（电荷堆积）的一种现象。堆积）的一种现象。 14.2.1 热电效应热电效应 pyroelectric effect 材料科学系8第一热电效应第一热电效应: :塞贝克塞贝克SeebeckSeebeck效应效应l1821年，德国人年，德国人 Seebeckl不同金属不同金属A、B组成回路闭合，接点处温度组成回路闭合，接点处温度不同不同T1T2，回路中产生热电势，回路中产生热电势热电流。热电流。 l原因：电子逸出功不同，l 自由电子密度不同；l N：有效电

6、子密度。u金属：几V/u半导体：Seebeck效应更显著（几mV/）材料科学系9Seebeck效应效应 之应用之应用测温热电偶（工业）；温差发电；温差电传感器；J常用的热电偶：常用的热电偶：J -50 -50 ，连续测量；，连续测量；J特殊热电偶：特殊热电偶：J -271 -271 全固态能量转换，替代燃料电池；全固态能量转换，替代燃料电池；军用电池、远程空间探测器、远距离通讯与导航、军用电池、远程空间探测器、远距离通讯与导航、微电子等特殊应用领域微电子等特殊应用领域. . 材料科学系10JPeltier效应：流过一个接触面的电流效应：流过一个接触面的电流J 在该接触面处产生吸放热的热电效应。

7、在该接触面处产生吸放热的热电效应。第二热效应第二热效应:帕尔贴帕尔贴Peltier效应效应l静电势VAB，l 称为接触电势。11第二热效应第二热效应: :帕尔贴帕尔贴PeltierPeltier效应效应沿AB方向通电流，电子e从低能级B向高能级A运动，从外界吸收能量，接触点处吸收热量；变冷。若反方向通以电流，接触点处要放出热量。 这种现象称为帕耳帖效应。l吸收或放出的热量QP称为帕尔帖热；lPAB称为帕尔帖系数或帕尔帖电势 材料科学系12第二热效应第二热效应:帕尔贴帕尔贴Peltier效应效应1834年，法国物理学家Peltier： l帕尔贴帕尔贴Peltier效应：效应：Seebeck效应的

8、逆效应。效应的逆效应。钟表匠钟表匠 材料科学系13l帕尔帖热和焦耳热叠加在一起的。帕尔帖热和焦耳热叠加在一起的。l焦耳热与电流方向无关，帕尔帖热与电流方向有关。焦耳热与电流方向无关，帕尔帖热与电流方向有关。l用正反通电法测出用正反通电法测出Peltier热。热。 第二热效应第二热效应:帕尔贴帕尔贴Peltier效应效应 b b b b b b b b 0HHeLiBeBCNOF NeNa MgAlSiPS Cl ArKCa Sc TiVCrMnFe CoNiCu ZnGaGe As Se Br KrRb Sr Y ZrNbMoTcRu RhPdAg CdInSn Sb Te IXeCs Ba

9、La HfTaWRe Os Ir PtAu HgTlPbBi Po At RnFr Ra Ac Rf热电半导体材料（热电半导体材料（Thermo-Electric-cooling，TEC）碲化铋碲化铋 Bi2Te3 , CoSb3, Sb2Te3, Bi2Se3 Cu2S1-xTex关键和难点l高的电输运+低的热传导本征矛盾。l单晶：对载流子和声子的散射均很低，l 极高的电导率和热导率。l多晶：晶界散射，电导率和热导率降低。材料科学系15马赛克晶体：马赛克晶体：宏观上单晶，宏观上单晶，微小偏转角度的纳米晶。微小偏转角度的纳米晶。拓扑绝缘体-特殊的绝缘体 l体内体内-绝缘体，表面绝缘体，表面-金

10、属性，金属性，l 电子在表面自由流动，不损耗任电子在表面自由流动，不损耗任何能量。何能量。l第一代，第一代， HgTe量子井；量子井；l第二代，第二代， BiSb 合金；合金；l第三代，第三代， Bi2Se3， Sb2Te3， Bi2Se3 等化合物。等化合物。l量子计算机的量子比特特性，量子计算机的量子比特特性，l 凝聚态物理的研究焦点凝聚态物理的研究焦点 。热电致冷器热电致冷器l20世纪90年代，原苏联科学家约飞(AFJoffe， 1880-1960)l碲化铋Bi2Te3为基的化合物，最好的热电半导体材料（Thermo-Electric-cooling，TEC）。 半导体致冷器l电流：N型

11、 P型：吸热-冷端；l电流：P型N型：放热-热端。 P型：型：Bi2Te3-Sb2Te3N型：型：Bi2Te3-Bi2Se3 热电势差最大。热电势差最大。视频视频半导体制冷片半导体制冷片 C1206 性能测试性能测试半导体制冷片半导体制冷片(温度控制温度控制TEC-10A）驱动器）驱动器半导体半导体 制冷片制冷片 致冷片致冷片l车载冰箱车载冰箱l家用小冰箱家用小冰箱l饮水机饮水机l5-655-65视频视频l半导体制冷半导体制冷-车载冰箱车载冰箱l半导体制冷半导体制冷-如何如何使用车载冰箱使用车载冰箱材料科学系22第三热效应：汤姆逊第三热效应：汤姆逊Thompsom效应效应l同种金属中电流流过一

12、定温度梯度的导体时，产生额外(除焦耳热外)的吸（放）热。lI与热流方向一致放热。l1856年，英国物理学家Thompsom:反过来，当一根金属棒两端温度不同时，反过来，当一根金属棒两端温度不同时， 两端会形成电势差。两端会形成电势差。 热电制冷分析中，常忽略汤姆逊效应（微弱）。 材料科学系23三个热电效应可以在两种金属组成的回路中同时出现。 Seebeck效应效应Thompsom效应效应Peltier效应效应热电势、热电流流过同一导体（吸放热）流过接触点（吸放热）材料科学系24生物的热电效应：生物的热电效应：u鲨鱼：鼻子里一种胶体鲨鱼：鼻子里一种胶体 ，把海水温度的变，把海水温度的变化转换成电

13、信号，传送给神经细胞，使鲨化转换成电信号，传送给神经细胞，使鲨鱼能够感知到鱼能够感知到0.001细微变化，从而准确细微变化，从而准确地找到食物。地找到食物。 材料科学系25自然界热电效应明显的物质自然界热电效应明显的物质 ：明矾石。：明矾石。u制造明矾及硫酸钾的来源；制造明矾及硫酸钾的来源；u提炼铝及造纸提炼铝及造纸/食品加工食品加工/净水剂净水剂/染料等；染料等；u空气负离子技术：空气负离子技术：u 极化，放电，净化室内空气。极化，放电，净化室内空气。K2SO4Al2(SO4)32Al2O36H2O 材料科学系26u温差发电：重新成为全球研究的热点，温差发电：重新成为全球研究的热点， u温差

14、发电通过热电转换材料实现。温差发电通过热电转换材料实现。uSeebeck效应是温差发电的基础。效应是温差发电的基础。 热电效应的工业应用：热电效应的工业应用：u燃气灶中熄火保护方式燃气灶中熄火保护方式-热电式热电式 lPeltier散热器（半导体散热器（半导体/陶瓷制冷器）。陶瓷制冷器）。 l饮水机制冷：半导体致冷器饮水机制冷：半导体致冷器PTC 小型热电制冷器：小型热电制冷器： 放射性同位素热电发电器l1968年，美国宇航局，航天器中。材料科学系27l2012年美国“好奇”号火星探测器l碲化铅为热电转换材料l 平均110瓦，维持科学仪表正常工作。热发电l利用地热、温泉以及工厂废热等发电。材料

15、科学系28材料科学系29视频视频l半导体制冷半导体制冷-车载冰箱车载冰箱半导体制冷半导体制冷-如何使如何使用车载冰箱用车载冰箱半导体制冷片半导体制冷片 C1206 性能测试性能测试半导体制冷片半导体制冷片(温度控制温度控制TEC-10A）驱动器）驱动器半导体半导体 制冷片制冷片 致冷片致冷片材料科学系31（一）、金属本性（一）、金属本性(+) Si 、Sb 、Fe 、Me、Cd、W、Au、Ag、Zn、Rh、Il、Cs、Ta、Sn、Pb、Mg、Al, 石墨石墨, Hg、Pt、Na、Pd、K、Ni、Co、Bi（-）14.2.2 影响热电势的因素影响热电势的因素中间金属定律：串联金属回路的总热电动势

16、只与两中间金属定律：串联金属回路的总热电动势只与两端金属有关，与中间串联金属无关（只要串联金端金属有关，与中间串联金属无关（只要串联金属两端温度相同）。属两端温度相同）。l热电偶：将两不同金属的热电偶：将两不同金属的一端焊在一起，作为热端，一端焊在一起，作为热端，而将另一端分开，而将另一端分开，l 并保持恒温。并保持恒温。 材料科学系32影响热电势的因素：l（二）合金化：（二）合金化：l连续固溶体：呈悬链式变化连续固溶体：呈悬链式变化 （过渡族不符合）（过渡族不符合）l形成化合物：热电势突变形成化合物：热电势突变.l半导体半导体E（共价结合加强）（共价结合加强）l多相混合物：位于两相热电势之间

17、；多相混合物：位于两相热电势之间；l同素异构转变：热电势变化明显。同素异构转变：热电势变化明显。l（三）温度：（三）温度：l热电势热电势 E与接点处的温差成正比；与接点处的温差成正比；lE=at+bt2+ct3 (t 为热端温度、冷端为热端温度、冷端0)材料科学系33热电势的应用：（一）温度测量：（一）温度测量：Pt-铑，铑，Cr-Al热电偶（温差发电）热电偶（温差发电）（二）组织变化研究：合金时效、（二）组织变化研究：合金时效、 M回火等；回火等；（三）钢的成分（不同牌号钢材的鉴别）（三）钢的成分（不同牌号钢材的鉴别）C%0.040.30.410.570.760.951.05900淬火后淬火

18、后7431061570795011701308800退火后退火后29100420417393378473含含C量及热处理对铁量及热处理对铁钢热电偶之热电势的影响（钢热电偶之热电势的影响（v）材料科学系3414.3 半导体电性的敏感效应 一、热敏效应：一、热敏效应： T二、光敏效应：光照二、光敏效应：光照三、压敏效应：电压三、压敏效应：电压/压力敏感压力敏感四、磁敏效应：霍尔效应四、磁敏效应：霍尔效应/磁阻效应磁阻效应n半导体导电：导带中的电子、价带中的空穴；半导体导电：导带中的电子、价带中的空穴；n 电导率受温度、光照影响很大，电导率受温度、光照影响很大，n 产生了一些半导体敏感效应。产生了一

19、些半导体敏感效应。材料科学系3514.4 介质极化与介电性能介质极化与介电性能 14.4.1 极化的概念极化的概念电介质在电场作用下产生感应电荷；dielectric polarization and dielectric property 材料科学系36l铁电、热释电和压电晶体间的关系铁电、热释电和压电晶体间的关系PyroelectricityFerroelectricitypiezoelectricitydielectricity材料科学系3714.4.2 极化的基本形式极化的基本形式 极化形式：极化形式： 电子极化、离子极化和偶极子转向极化。电子极化、离子极化和偶极子转向极化。l基本形式

20、：位移式极化、松弛极化和转向极化。1. 1. 位移极化：电子云位移位移极化：电子云位移弹性可逆的；弹性可逆的；2.2.松弛极化：外加电场克服热运动使质点分布规律化松弛极化：外加电场克服热运动使质点分布规律化极化（不可逆，消耗能量）；极化（不可逆，消耗能量）；3. 3. 转向极化：极性分子中。外电场使偶极子转向和转向极化：极性分子中。外电场使偶极子转向和外电场一致外电场一致. .要克服热运动。要克服热运动。材料科学系3814 .4.3 介电常数：介电常数： l介电常数介电常数：电介质存在时的电容与：电介质存在时的电容与l 无介质（真空）时电容的增长倍数。无介质（真空）时电容的增长倍数。X为电介质

21、材料的极化率，为电介质材料的极化率，P为极化强度；为极化强度；l极板上自由电荷面密度(电位移) D与外电场E：Dielectric Constant 材料科学系3914.4.4 影响介电常数的因素l极化类型l介质材料以哪种形式极化，与它们的结构紧密程度相关l环境l温度l频率l电场强度l非线性关系l线性关系l应用：电子电工方面，隔直流、绝缘，l 贮存能量，电容器材料科学系40介质损耗 dielectric loss l在E作用下，电介质中的电能热能，单位时间发热消耗的能量损耗功率（介质损耗）l介质损耗是应用于交流电场中电介质的重要品质指标之一。l电导损耗：l极化损耗：l电离损耗l结构损耗l宏观结构不均匀的介质损耗损损耗耗形形式式材料科学系41介质损耗影响因素影响因素材料结构：漏导电流、极化机制材料结构：漏导电流、极化机制外界环境：外界环境：温度：温度：T能量损耗能量损耗W有一极大值有一极大值频率：频率：f很小很小w=o f很大很大来不及缓慢极化来不及缓慢极化W=0 f较高较高FW材料科学系4