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热电材料参数测量方法的研究

王震  
【摘要】:热电效应能够实现热能和电能的直接转换,在废热回收发电、绿色制冷、太空探测器供电等方面具有广泛的应用前景,因此受到了广泛的关注。热电转换效率主要取决于热电优值系数ZT=s2σT/κ,其中S, σ, κ, T分别为Seebeck系数、电导率、热导率和绝对温度。ZT值越高,热电转换效率越高。目前热电参数的测量和热电转换效率的评估存在一些问题。首先,高温Seebeck系数的测量精度不高,如常用的高温热电参数测试系统(Linseis LSR系列)测量Seebeck系数的精度为7%左右,给热电转换效率的评估带来一定误差;其次,在测量ZT值时,Seebeck系数和电导率使用热电参数测试系统(ZEM、LSR等)沿平行样品表面方向测量,而热导率使用导热系数测试仪(如Netzsch、Linseis、TA等公司的热导率测试设备)沿垂直样品表面方向测量,当材料具有各向异性时也会引起较大的误差。针对上述两个普遍存在的问题,本论文以热电参数的精确测量为研究对象,自主搭建了两套热电参数测量设备,深入研究了影响Seebeck系数测量精度的因素,并尝试开发了一种直接测量热电优值系数ZT的新方法。本论文的主要创新之处如下:一、基于对静态法和动态法的研究,自制了一套Seebeck系数和电阻测量设备,使用自制设备对影响Seebeck系数测量精度的因素进行了研究。发现动态法和静态法可以消除寄生电势的影响。使用静态法测量时,样品温差控制在1±0.SK以内,测量精度最高;控温精度越高,测量精度越高,但是虽然控温精度较差时,测量结果波动大,但是平均值与高控温精度下的测量结果相差不大;有效地进行电磁屏蔽可以提高测量精度。经过对以上因素的研究,改进传统方法,可以将自制设备的Seebeck系数的测量精度提高到1.5%,优于商用仪器7%的精度。使用动态法测量,测量的速度高于静态法,在同样的测试环境下也具有较高的测量精度,小于7.2K/mmin的升温速度变化对Seebeck系数的测量没有大的影响。二、基于非平衡热力学,推导了等温和绝热状态下的热电参数方程组,发现通过测量热学短路和热学开路两种状态下的电导率可以直接获得热电优值系数ZT:σT=σq(1+ZT),其中σT、σq分别代表热学开路和短路下的电导率。基于理论分析的结果,自制了一套热电参数测量设备。但目前该方法的测量误差较大,其可行性以及产生误差的原因需要进一步研究。本论文较为系统地研究了高精度测量热电参数的方法,利用静态法和动态法消除Seebeck系数测量中寄生电势的影响,通过选择合适的测量温差、提高控温精度、增加电磁屏蔽等手段大幅度提高了Seebeck系数的测量精度,并开发了一种直接测量热电优值ZT的新方法。研究结果为热电参数的高精度测量提供了理论支持和技术参考,但由于时间原因,直接测量ZT新方法还未深入地研究,目前测量误差较大,在后续的工作中将对其进行优化。


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