CN117156940B - 一种利用异质热电材料优化热电性能的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了材料能源科学技术领域的一种利用异质热电材料优化热电性能的方法，包括步骤一：选择不同热电性特征的矿物材料；步骤二：形成传递相同热梯度的复合结构；步骤三：使用复合结构产生的热电效应：（1）在N导型矿物材料一侧获得热电系数为正的温差电动势，即绝对值E1；（2）在P导型矿物材料一侧获得热电系数为负的温差电动势，即绝对值E2；（3）使用复合结构产生的综合电动势，即绝对值为E1+E2，本发明通过优化矿物材料组合和结构设计，提高了热电设备的性能、降低了生产成本、同步激发矿物材料的热磁效应，扩大了可选热电材料的范围并扩大了热电应用范围，为热电领域的发展和应用提供了有益的贡献。
Description
技术领域
本发明涉及材料能源科学技术领域，尤其是涉及一种利用异质热电材料优化热电性能的方法。
背景技术
热电效应是指由于温度差异导致材料内部载流子（如电子或空穴）在热端和冷端之间发生迁移，从而产生电流或电荷堆积的现象。这种效应在物理学和工程领域有着广泛的应用。热电性是指当材料受到加热或冷却时，材料内部受温差作用驱动导致电荷迁移而产生电动势的性质。具有这种性质的矿物材料称为热电材料，如磁铁矿和石墨等。从目前的研究结果来看，已有60余种天然矿物具备这种性质，人工合成矿物晶体也有数十种之多。在热电材料中，导电类型可以包括电子移动和空穴移动两种形式。如果是由电子移动引起的导电类型，定义为N导型，表现为温差的冷端积累负电荷，产生的热电势表示为负值，热电系数也为负值；反之，由空穴移动引起的导电类型，则定义为P导型，表现为温差的冷端积累正电荷，产生的热电势表示为正值，热电系数也为正值。
基于热电效应原理的热电材料在能源收集、医疗、航空航天等领域有着广泛的应用。例如，热电材料可以用于发电和制冷等领域，以及可用于微型电子器件的冷却和医疗领域中的温度测量等。此外，热电材料还可以用于航空航天领域中的温度控制和测量等。因此，对于未来科学研究和技术的应用，研究和开发高效且可持续使用的热电材料是至关重要的。
在实际应用中，热电材料的性能受到多种因素的影响，如矿物材料的纯度、晶体结构和载流子迁移率等。因此，为了提高热电材料的性能，需要深入了解材料的物理和化学性质以及制备工艺等方面的知识。同时，还需要探索新的热电材料和制备工艺，以降低成本和提高性能。此外，还需要进一步研究和开发热电材料在其他领域中的应用，例如能源储存、温度控制和测量等领域。基于热电效应原理的热电材料具有广泛的应用前景和潜在的研究价值。对于未来科学研究和生产技术的应用具有重要价值。
传统的热电材料由于受到基本材料属性的限制，其利用热电效应的效率相对较低。与之相比，新型热电材料虽然具有更高的热电性能，但是其生产制造工艺相对复杂，导致成本较高。。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本发明的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
因此，本发明目的是提供一种利用异质热电材料优化热电性能的方法，能够解决传统的热电材料由于受到基本材料属性的限制，其利用热电效应的效率相对较低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种利用异质热电材料优化热电性能的方法，采用如下的技术方案：步骤一：选择不同热电性特征的矿物材料，其中步骤一包括：
（1）所选材料的热电势值与活化温度应具有良好的线性关系；
（2）所选材料的热电类型应相异，一种为P导型矿物材料，即热电系数为正值，另一种为N导型矿物材料，即热电系数为负值；
步骤二：形成传递相同热梯度的复合结构，其中步骤二包括：
（1）在选定的两种材料中间放置发热装置；
（2）通过发热装置给两侧的热电矿物材料制造形同温度梯度的温差；
步骤三：使用复合结构产生的热电效应，其中步骤三包括：
（1）在P导型矿物材料一侧获得热电系数为正的温差电动势，即绝对值E1；
（2）在N导型矿物材料一侧获得热电系数为负的温差电动势，即绝对值E2；
（3）使用复合结构产生的综合电动势，即绝对值为E1+E2。
可选的，所述步骤一中，选择石墨材料片和磁铁矿材料片作为热电材料，在石墨材料片和磁铁矿材料片之间放置发热材料片。
可选的，所述在石墨材料片和磁铁矿材料片中间放置的发热材料片为PTC发热体。
可选的，所述在石墨材料片和磁铁矿材料片中间放置的发热材料片为石墨烯加热体。
可选的，所述活化温度为低于90°C。
综上所述，本发明包括以下至少一种有益效果：本发明通过优化矿物材料组合和结构设计，提高了热电设备的性能、降低了生产成本、同步激发矿物材料的热磁效应，扩大了可选热电材料的范围并扩大了热电应用范围，为热电领域的发展和应用提供了有益的贡献。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的利用异质热电材料优化热电性能的方法流程图；
图2为本发明的传递相同热梯度的复合结构示意图；
图3为本发明的石墨热电势与活化温度关系图；
图4为本发明的磁铁矿热电势与活化温度关系图。
附图标记说明：1、石墨材料片；2、发热材料片；3、磁铁矿材料片。
具体实施方式
以下结合附图1-4对本发明作进一步详细说明。
实施例一：利用PTC加热石墨和磁铁矿材料的热电应用
选择石墨和磁铁矿物材料作为热电材料。活化温度在低于 90°C 的情况下，石墨和磁铁矿的热电势值与活化温度具有较好的线性关系，石墨热电势值均为正值表现为P导型，磁铁矿热电势值均为负值表现为N导型。
在石墨材料片1和磁铁矿材料片3中间放置PTC发热体（图2），即发热材料片2，并通过PTC发热体给两侧的石墨和磁铁矿材料传递温差。PTC发热体又叫PTC加热器，具有热阻小、换热效率高的优点，是一种自动恒温、省电的电加热器。
在石墨材料片1一侧得到热电系数为正的温差电动势绝对值E1（图3），石墨的热电势与活化温度之间具有良好的线性关系，拟合趋势线方程为y=0.0273x-0.2346，相关系数=0.6742，随着活化温度（温差）的升高，石墨的热电势明显增大，且均大于0mV。可以表明石墨的导型为P型，热电势主要是由热激发产生的非平衡活性电子在温度梯度场作用下从冷端迁移到热端引起的。温差由10℃提高到80℃，热电势的绝对值可由0mV提高到3mV左右。
在磁铁矿材料片3一侧得到热电系数为负的温差电动势绝对值E2（图4），磁铁矿的热电势与活化温度两者之间线性关系良好，活化温度升高，其热电势绝对值也升高，活化温度对热电势绝对值呈正相关，趋势线方程为y=-0.0539x+0.2403，相关系数R²=0.9736；磁铁矿导电属N导型，是因为在冷端聚集了大量的电子，在矿物两端受到的温度不同形成温度梯度场时，不平衡的可以移动的电子就会往冷端移动；温差热电势的绝对值由活化温度为10℃时的0mV增大到活化温度为90°C时的5mV，热电势值均为负值。
利用该装置可以在同一活化温度时获得电动势约为E1+E2的热电效应。
实施例二：利用石墨烯加热石墨和磁铁矿材料的热电应用
选择石墨和磁铁矿材料作为热电材料。活化温度在低于 90°C 的情况下，石墨和磁铁矿的热电势值与活化温度具有良好的线性关系，石墨热电势值均为正值表现为P导型，磁铁矿热电势值均为负值表现为N导型。
在石墨材料片1和磁铁矿材料片3中间放置石墨烯加热体（图2），并通过石墨烯加热体给两侧的石墨和磁铁矿材料传递温差。
在石墨材料片1一侧得到热电系数为正的温差电动势绝对值E1（图3）。
在磁铁矿材料片3一侧得到热电系数为负的温差电动势绝对值E2（图4）。
利用该装置可以在同一活化温度时获得电动势约为E1+E2的热电效应。
以上均为本发明的较佳实施例，并非依此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种利用异质热电材料优化热电性能的方法，其特征在于：步骤一：选择不同热电性特征的矿物材料，其中步骤一包括：
（1）所选材料的热电势值与活化温度应具有良好的线性关系；
（2）所选材料的热电类型应相异，一种为P导型矿物材料，即热电系数为正值，另一种为N导型矿物材料，即热电系数为负值；
步骤二：形成传递相同热梯度的复合结构，其中步骤二包括：
（1）在选定的两种材料中间放置发热装置；
（2）通过发热装置给两侧的热电矿物材料制造形同温度梯度的温差；
步骤三：使用复合结构产生的热电效应，其中步骤三包括：
（1）在P导型矿物材料一侧获得热电系数为正的温差电动势，即绝对值E1；
（2）在N导型矿物材料一侧获得热电系数为负的温差电动势，即绝对值E2；
（3）使用复合结构产生的综合电动势，即绝对值为E1+E2。
2.根据权利要求1所述的一种利用异质热电材料优化热电性能的方法，其特征在于：所述步骤一中，选择石墨材料片和磁铁矿材料片作为热电材料，在石墨材料片和磁铁矿材料片之间放置发热材料片。
3.根据权利要求2所述的一种利用异质热电材料优化热电性能的方法，其特征在于：所述在石墨材料片和磁铁矿材料片中间放置的发热材料片为PTC发热体。
4.根据权利要求2所述的一种利用异质热电材料优化热电性能的方法，其特征在于：所述在石墨材料片和磁铁矿材料片中间放置的发热材料片为石墨烯加热体。
5.根据权利要求1所述的一种利用异质热电材料优化热电性能的方法，其特征在于：所述活化温度为低于90°C。
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