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俄罗斯研发出热电转换用途新材料

编译者:姜山发布时间:Jun 22, 2017点击量:64481 来源栏目:科技前沿

俄罗斯国家研究型大学“莫斯科钢铁学院”能效中心研发出热电转换新型材料,由于材料具有非常高的品质因数,可应用在航天领域内作为电池为航天器长期供电。此项成果发表在 Journal of Materials Chemistry A科学杂志上。

  在原理上,所研发的热电转换材料是由两类具有不同性能的原子组成:严格固定在晶体晶格节点上原子及自由震荡原子,其中,固定原子保证材料的高导电率,震荡原子与晶格之间的结合键能弱,具有散热性,可大大降低材料的导热性。在材料学上,所制备的材料为金属间化合物(两种或两种以上金属的化合物),其晶格结构上具有空穴,在不破坏晶格结构的前提下采用“做客”原子填充空穴,可获得不同材料之间的性能“搭配”。如果材料的导电性高,且导热性弱,材料的关键技术指标 – 热电品质因数(热电转换效果)则高。

  “莫斯科钢铁学院”能效中心所选用的原料为方钴矿材料,其成分为锑与钴的金属间化合物(CoSb3),当表面温度差达到400-500℃时,所研发材料的品质因数最大,达到1.4(作为参考,已知的热电转换材料 – 碲化铋,当温度差为100-150℃时其品质因子达到最大,为1.2)。

  为在锑-钴金属系中获得更高的品质因数,该中心尝试了多种技术方案,例如采用稀土元素(例如镱元素)作为杂质成分对材料进行杂化处理,及采用两种或两种以上的金属进行合成,曾采用三种金属元素合成出品质因数为1.8的材料。另外,改变金属成份的配比及采用铟作为杂化成份,可在短时间内(不超过2分钟)合成出相应材料,再进行5小时退火后所获得材料的品质因数指标非常高。该技术方案具有成本低的优势,且其品质因子高(可达1.5),创造了以铟作为杂化成份的锑-钴金属系热电转换指标的记录。

  之前的技术方案,不仅材料昂贵,而且真空室内合成时间超过2周,成本极其昂贵。由于锑具有挥发性性能,长期熔融状态下可形成CoSb2相,该相不具备热电转换效应,大大降低材料整体的热电转化效果。

  热能可直接转换成电能这种现象是由德国物理学家托马斯·塞贝克于1821年发现的,但塞贝克效应至今未能得到工业化应用,科研人员一直试图研发热电直接转换材料,但所有的尝试均处于实验室阶段。

  热电转换材料在航天上已经得到应用,以核裂变作为热源的热电转换装置安装在卡西尼号(Cassin)、新视野号(New Horizons)航天器及好奇号(Curiosity)火星探测器上。

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