材料的热电性能测试.PPT

* 实验六 材料的热电性能测试 材料科学与工程学院 材料物理系 2014.11.14 1.实验目的 2.热电材料简述 3.实验设备及原理 4.实验内容 5.实验步骤 6.思考题 实验目的 1.掌握材料热电势的测试原理及方法。 2.测试合金丝Cu(+)/CuNiSi(-)的热电势。 热电材料简述 当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时(如图)，一端温度为T，称为热端(又称测量端)，另一端温度为T0 ，称为冷端(也称参考端)，只要两结点处的温度不同，回路中将产生一个电动势，称为“热电动势”，这两种导体称为“热电极”，两种导体组成的回路称为“热电偶”。热电动势由两部分电动势组成，一部分是两种导体的接触电动势， 另一部分是单一导体的温差电动势。 图1 热电偶回路 热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。 热电材料有着广泛的应用前景。利用自然界温差和工业废热均可用于热电发电，能利用自然界存在的非污染能源。利用帕尔帖效应制成的热电制冷机具有机械压缩制冷机难以媲美的优点：尺寸小、质量轻、工作无噪声、不污染环境等。以热电材料制备的微型元件可用于制备微型电源、微区冷却、光通信激光二极管和红外线传感器的调温系统。进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。　　 热电优值 　　材料的热电效率可用热电优值(Therm oelectric figure of merit, ZT)来评估: 　 　 其中，S为热电势(therm oelectric power or Seebeck coefficient)，T为绝对温度，σ为电导率，κ为热传导系数。为了产生较高的热电优值ZT，材料必须有高的热电势(S)，高的电导率与低的热传导系数。 纳米科技对于提升热电材料的ZT值(热电优值) 预期有突破性的改善，被视为寻找具有高ZT值热电材料的希望。 热电材料的优点: （1）体积小，重量轻，坚固，且工作中无噪音; （2）温度控制精准，可在±0.1℃之内; （3）不必使用CFC(氯氟碳类物质---会破坏臭气层)，不会造成任何环境污染; （4）可回收热源并转变成电能(节约能源)，使用寿命长，易于控制。 　　 热电材料的缺点: （1）效率(5%)仍远比传统冰箱或发电机小。 热电材料的分类 目前热电材料的分类可根据运作温度的不同分为三类： 　　 (1)碲化铋及其合金：这是目前广泛使用于热电致冷器的材料，其最佳运作温度450℃。 　　 (2)碲化铅及其合金：这是目前广泛使用于热电产生器的材料，其最佳运作温度大约为1000℃。 　　 (3)硅锗合金：此类材料也常应用于热电产生器，其最佳运作温度大约为1300℃。 　　 实验设备及原理 热电测试测试系统主要包括三部分：测试端恒温设备、参考端零度恒温设备、热电势测试仪表。 ①测试端恒温设备：包括恒温水浴槽（工作温度范围室温+10℃～95℃，温度波动±0.01℃/30min，温度均匀性≤0.01℃）。 ②参考端零度恒温设备：冰点器，采用冰水混合物进行零度恒温或低温槽。 ③热电势测试仪表：选用美国 Keithley2182A型电表。 ④低电势扫描开关：寄生电势＜0.4μV，12路X4。 ⑤玻璃管、导线等。 测试原理如图 测试端恒温设备 热电势测试仪表及低频扫描开关 参考端零度恒温设备 图2 测试原理示意图 实验内容 1.将Cu（+）丝与CuNiSi（-）丝组成一对正负极偶丝，在不同温度场中测试温度-热电势曲线，表征材料热电特性。 2.分班进行测试，同时每班又分成不同的小组进行六种样品的测试，最终得出温度-热电势曲线。 实验步骤 1.试样：铜镍基合金丝做为负极，纯铜丝作为正极，试样长度为1.1m，试样端头用砂纸打磨，将正、负极一端焊接，且丝材穿上陶瓷珠以利于绝缘。 2.测量端的恒温设备升至实验温度，将焊接端的正负极插入装有导热油的玻璃管，玻璃管插入恒温设备中，插入深度150mm。 3.将正负极的另一端分别与铜导线连接，利用绝缘套管将正负极隔开并插入装有导热油的玻璃管，再将玻璃管插入冰点器，插入深度150mm。 4.将铜导线的另一端连接到低电势扫描开关的输入端，将低电势扫描开关的输出端与电表相连。 5.在每个实验温度点恒温10分钟后，通过低电势扫描开关转换测试多组试样的热电势，并由电表读数。 分组情况： 测量端温度范围：室温~80℃（大约10℃~80℃）； 合金丝：CuNiSi合金丝（六种成分，即六种样品）； 6人一组（每人负责一种样品，测试温度从室温~40℃），接上组，（6人，测试温度从50℃~80℃）； 人员顺