zrnisn热电材料的性能研究【字数：8834】
热电材料是一种绿色材料，将热能转换成电能的温差发电和利用电能制冷的热电制冷是两个主要的应用方面。半哈勒合金是热电性能比较优秀的一种材料，具有良好的热稳定性，高的机械强度和优异的导电性能。本文以悬浮熔炼法制备ZrNiSn材料的热电性能方向依赖性作为研究对象。研究表明ZrNiSn材料的电阻率和热电性能随着温度升高表现为先上升后下降,在900 K时热电性能达到最佳。通过对比样品横向和纵向的热电性能发现具有较弱的方向依赖性。这一研究结果为热电材料的进一步发展提供了参考。
Key Words:Thermoelectric material;seebeck coefficient;Half Heusler alloy; resistivity 目录
第一章 绪论 2
1.1热电效应 3
1.2 热电材料的分类 4
1.2.1 室温热电材料 4
1.2.2 中温热电材料 5
1.2.3 高温热电材料 6
1.3 论文研究内容 7
第二章 实验方法 8
2.1 样品的制备方法 8
2.1.1区熔法 8
2.1.2粉末冶金法 8
2.1.3物理和化学沉积法 8
2.1.4自蔓延高温合成法 8
2.1.5悬浮熔炼法 9
2.2 材料的表征手段 9
2.2.1 X射线衍射物相分析（XRD） 9
2.2.2扫描电子显微镜（SEM） 9
2.2.3热电学性能测试 9
第三章 结果和分析 11
3.1 X射线图分析 11
3.2扫描电镜分析 11
3.3热电性能分析 14
第四章 结论与展望 16
参考文献 17
致谢 18
第一章 绪论
随着世界环境污染和能源危机的加剧，把热直接转换为电这一课题引起了很多人的兴趣。热电材料具有将电能和热能直接转换的能力，其实质是固体材料中载流子和声子的运输和相互作用。热电材料制成的热电器件具有结构简单、重量轻、无污染、寿命长、可靠性高、无运动部件等诸多优点，目前热电材料 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
主要应用有温差发电，废热回收，热电制冷这些方面[1]。
温差发电器是一种固体能量转换器件,即电能与热能的相互转换器件。这一过程的本质是固体中载流子(电子和空穴）和声子(声子的运动可等价为晶格振动)的输运及其相互作用[2]。温差发电技术主要应用在军事和航天等方面，使用放射性同位素供热的热电转换器曾经是太空探测器的唯一供电系统[3]。我国的电能有很大一部分是由热能转换过来的，而这些热能又是由火电厂，核电厂和太阳能发电厂来提供的。这些电厂大都是使用热能加热液体让液体蒸发来驱动飞轮发电，这一发电过程中有很多的缺点，首先昂贵的设备极易损耗还会对环境造成污，然后火力发电厂热效率一般为30%40%发电的效率不高，会产生大量的工业废热。和传统的发电的方式不同，使用温差发电技术，通过热电转换装置可以将产生的废热和余热直接利用起来进行温差发电。这不仅可以降低环境污染还能提高能源的利用效率缓解能源短缺的问题。除此之外还产生了一些新的应用方向的研究，如利用热电材料来对内燃机工作过程中引擎排气管产生的废热进行回收发电，这些新兴的研究极大地增强了温差发电的应用范围。
在热电制冷方面，热电制冷器件更广泛应用于商业，工业和军事等领域。传统的制冷技术是使用氟利昂作为冷却剂，但到了90年代人们发现氟利昂制冷技术会对环境造成很大的破坏。从此开始，开发对环境无污染，没有噪声却方便携带的制冷技术成为人们的追求目标。而采用热电制冷技术就可以避免产生不必要的污染和噪声。而且使用热电制冷技术可以减少仪器的重量，降低仪器的体积并且结构简单，可靠性高，寿命长。热电制冷应用范围也很广主要有：恒温槽，计算机芯片冷却，便携式冷暖箱，饮水机，除湿器，电子空调器，红外探测器等等。
在2018年，麻省理工学院团队找到的一种理论进行建模，发现可将称为拓扑半金属的材料效率一举提升 5 倍、并产生 2 倍以上能量，但和传统的热机30%的热电转换效率相比较还是偏低的，所以进一步提高热电材料的热电性能是科学工作者们的研究热点。提高材料的热电性能主要可以从几个方面入手，分别是：提高塞贝克系数，提高电导率，降低热导率。可以根据Slack等人提出了“电子晶体一声子玻璃”模型来制作一个好的热电材料，但是在材料的制备过程中，制备的环境也会对材料的热电性能有很大的影响。猜测材料在生长过程中不同的方向上的应力会对材料的热电性能有很大的影响。本文根据这一猜想准备研究材料在生长过程中不同方向上的应力对材料的热电性能的影响。
1.1热电效应
热电效应主要分为三种分别是塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。
塞贝克效应被称为第一热电效应，其描述的是两个不同温度的导体或者是半导体相互接触时会因为温度差而产生电势差的现象[4]。在不同金属构成的回路中由于接触点的温度差产生的电流被称为热电流而产生的电势差被称为热电势，其方向由温度梯度的方向来决定。
帕尔贴效应的发现可以说Thomas Seeback也做出了很大的贡献，不过由于他当时做出了错误的推论导致他并没有发现这一现象背后隐藏的秘密。到了1834年法国物理学家Jean Peltier才发现这一现象背后的原因[5]。珀尔帖发现这样一种现象：当两个不同的导体相互接触并接上直流电源后，会出现能量转移的现象，两个导体的一端会吸收热量一端会放出热量，这种现象称作珀尔帖效应。珀尔帖效应具体的物理原理是电荷在导体中运动形成电流由于电荷在不同的材料中处于不同的能量级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量[6]。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。
汤姆逊效应指的是金属导体中因为温度分布不均匀存在温度差异，温度高的地方自由电子运动更加剧烈和温度低的地方相比自由电子的动能更大。在1856年汤姆逊利用自己创立的热力学原理对塞贝克效应和珀尔帖效应进行了分析，他发现在塞贝克系数和珀尔帖系数之间存在着一定的联系并且汤姆逊推论在绝对零度的情况下，塞贝克系数和珀尔帖系数之间的关系会是简单的倍数关系[7]。在这个基础上汤姆逊又预言了一种新的温差电效应，汤姆逊认为当电流通过温度不均匀的导体时除了会因为电阻的原因会不可避免的产生焦耳热外，还会吸收或者放出一部分热量这个热量被称为汤姆逊热，换个说法可以表示为当一根金属棒两端的温度不同时，在金属棒两端就会产生电势差，这一现象就是汤姆逊效应。
Key Words:Thermoelectric material;seebeck coefficient;Half Heusler alloy; resistivity 目录
第一章 绪论 2
1.1热电效应 3
1.2 热电材料的分类 4
1.2.1 室温热电材料 4
1.2.2 中温热电材料 5
1.2.3 高温热电材料 6
1.3 论文研究内容 7
第二章 实验方法 8
2.1 样品的制备方法 8
2.1.1区熔法 8
2.1.2粉末冶金法 8
2.1.3物理和化学沉积法 8
2.1.4自蔓延高温合成法 8
2.1.5悬浮熔炼法 9
2.2 材料的表征手段 9
2.2.1 X射线衍射物相分析（XRD） 9
2.2.2扫描电子显微镜（SEM） 9
2.2.3热电学性能测试 9
第三章 结果和分析 11
3.1 X射线图分析 11
3.2扫描电镜分析 11
3.3热电性能分析 14
第四章 结论与展望 16
参考文献 17
致谢 18
第一章 绪论
随着世界环境污染和能源危机的加剧，把热直接转换为电这一课题引起了很多人的兴趣。热电材料具有将电能和热能直接转换的能力，其实质是固体材料中载流子和声子的运输和相互作用。热电材料制成的热电器件具有结构简单、重量轻、无污染、寿命长、可靠性高、无运动部件等诸多优点，目前热电材料 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
主要应用有温差发电，废热回收，热电制冷这些方面[1]。
温差发电器是一种固体能量转换器件,即电能与热能的相互转换器件。这一过程的本质是固体中载流子(电子和空穴）和声子(声子的运动可等价为晶格振动)的输运及其相互作用[2]。温差发电技术主要应用在军事和航天等方面，使用放射性同位素供热的热电转换器曾经是太空探测器的唯一供电系统[3]。我国的电能有很大一部分是由热能转换过来的，而这些热能又是由火电厂，核电厂和太阳能发电厂来提供的。这些电厂大都是使用热能加热液体让液体蒸发来驱动飞轮发电，这一发电过程中有很多的缺点，首先昂贵的设备极易损耗还会对环境造成污，然后火力发电厂热效率一般为30%40%发电的效率不高，会产生大量的工业废热。和传统的发电的方式不同，使用温差发电技术，通过热电转换装置可以将产生的废热和余热直接利用起来进行温差发电。这不仅可以降低环境污染还能提高能源的利用效率缓解能源短缺的问题。除此之外还产生了一些新的应用方向的研究，如利用热电材料来对内燃机工作过程中引擎排气管产生的废热进行回收发电，这些新兴的研究极大地增强了温差发电的应用范围。
在热电制冷方面，热电制冷器件更广泛应用于商业，工业和军事等领域。传统的制冷技术是使用氟利昂作为冷却剂，但到了90年代人们发现氟利昂制冷技术会对环境造成很大的破坏。从此开始，开发对环境无污染，没有噪声却方便携带的制冷技术成为人们的追求目标。而采用热电制冷技术就可以避免产生不必要的污染和噪声。而且使用热电制冷技术可以减少仪器的重量，降低仪器的体积并且结构简单，可靠性高，寿命长。热电制冷应用范围也很广主要有：恒温槽，计算机芯片冷却，便携式冷暖箱，饮水机，除湿器，电子空调器，红外探测器等等。
在2018年，麻省理工学院团队找到的一种理论进行建模，发现可将称为拓扑半金属的材料效率一举提升 5 倍、并产生 2 倍以上能量，但和传统的热机30%的热电转换效率相比较还是偏低的，所以进一步提高热电材料的热电性能是科学工作者们的研究热点。提高材料的热电性能主要可以从几个方面入手，分别是：提高塞贝克系数，提高电导率，降低热导率。可以根据Slack等人提出了“电子晶体一声子玻璃”模型来制作一个好的热电材料，但是在材料的制备过程中，制备的环境也会对材料的热电性能有很大的影响。猜测材料在生长过程中不同的方向上的应力会对材料的热电性能有很大的影响。本文根据这一猜想准备研究材料在生长过程中不同方向上的应力对材料的热电性能的影响。
1.1热电效应
热电效应主要分为三种分别是塞贝克效应、珀尔帖效应和汤姆逊效应。
塞贝克效应被称为第一热电效应，其描述的是两个不同温度的导体或者是半导体相互接触时会因为温度差而产生电势差的现象[4]。在不同金属构成的回路中由于接触点的温度差产生的电流被称为热电流而产生的电势差被称为热电势，其方向由温度梯度的方向来决定。
帕尔贴效应的发现可以说Thomas Seeback也做出了很大的贡献，不过由于他当时做出了错误的推论导致他并没有发现这一现象背后隐藏的秘密。到了1834年法国物理学家Jean Peltier才发现这一现象背后的原因[5]。珀尔帖发现这样一种现象：当两个不同的导体相互接触并接上直流电源后，会出现能量转移的现象，两个导体的一端会吸收热量一端会放出热量，这种现象称作珀尔帖效应。珀尔帖效应具体的物理原理是电荷在导体中运动形成电流由于电荷在不同的材料中处于不同的能量级，当它从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，从外界吸收能量[6]。能量在两材料的交界面处以热的形式吸收或放出。
汤姆逊效应指的是金属导体中因为温度分布不均匀存在温度差异，温度高的地方自由电子运动更加剧烈和温度低的地方相比自由电子的动能更大。在1856年汤姆逊利用自己创立的热力学原理对塞贝克效应和珀尔帖效应进行了分析，他发现在塞贝克系数和珀尔帖系数之间存在着一定的联系并且汤姆逊推论在绝对零度的情况下，塞贝克系数和珀尔帖系数之间的关系会是简单的倍数关系[7]。在这个基础上汤姆逊又预言了一种新的温差电效应，汤姆逊认为当电流通过温度不均匀的导体时除了会因为电阻的原因会不可避免的产生焦耳热外，还会吸收或者放出一部分热量这个热量被称为汤姆逊热，换个说法可以表示为当一根金属棒两端的温度不同时，在金属棒两端就会产生电势差，这一现象就是汤姆逊效应。
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