热电材料自制“土”仪器,未来发展不可限量

2017-05-26  来自: 西安天和实验室设备有限公司 浏览次数:173

热电材料自制“土”仪器,未来发展不可限量



  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。用掌心的温热,就能让一个小小电扇转起来,这就是热电材料的神奇之处。这种能源材料,在太空、环保领域有着独特的用途。二十多年前,中国在这一领域完全不被国际重视,如今中国研制的热电材料、热电器件的性能已领跑世界。带动国内这一领域发展的“排头兵”中有一位从日本留学归来的研究者———中科院上海硅酸盐研究所研究员陈立东。


  在纳米和原子尺度寻找热电器件

  

  利用热能发电的传统方法,就是将水加热变成蒸汽,再用蒸汽推动涡轮来发电。可有些材料却可以直接用热能激发电子,形成电流。早在1821年,科学家就发现了这种奇特的“热电效应”———如果人类可以利用这种方式发电,那么很多现在废弃的热能,都能充分利用起来。比如,工厂里现在很难回收利用的200℃至400℃的余热,乃至汽车尾气、垃圾焚烧等余热也都能“变废为宝”。

  

  “早在本世纪初,美国国家航空航天局(NASA)喷气推进实验室(JPL)就成立了研究小组,专门从事空间应用热电技术的研发。”陈立东2001年刚被中科院以“百人计划”从日本引进回国时,中国在这一领域接近空白。“当时,老院士严东生先生热切地支持我回国,新能源材料领域中国是短板,他说未来这会非常重要,我们应该在中国发展这一领域。”

  

  要做出转化效率高、性能稳定的热电器件非常困难。首先,要寻找一种高性能热电材料———它必须同时是热的绝缘体和电的良导体。科学家需要在纳米和原子尺度,寻找可将热导率降低到极限,同时又能保持良好的电导率和热电势(由温差产生的电压)的晶体材料。而在制备热电器件时,要综合考虑热电材料、导电电极、焊接材料等多种材料的热膨胀、电阻、热阻等各种参数,器件制造过程中任何一点小的瑕疵就可能彻底扼杀热电材料的功能。

  

  “这些‘婆婆妈妈’的小细节,每一个都影响着热电器件最后的性能。”陈立东说,很多看起来高大上的创新,实际上是探索过程中的“摸爬滚打”,看起来真有点“土”。

  

  自制仪器让学生们深入了解测量原理

  

  陈立东的实验室看起来有点“土”,里面有不少他带着学生自制的设备。

  

  其中一间实验室里,一台红外测温设备搭建了一半———这是准备用来探测微小电流下产生的微小温差的。“目前,热电器件的性能国际上还没有标准的测量方法。”陈立东说。

  

  陈立东回国时,中科院为他配备了200万元人民币启动经费,并招好了研究生,这使他的研究工作得到无缝衔接。可是,新型热电材料的许多性能,没有现成的商业仪器可以精确测试。他只能带学生自己设计并搭建设备,直到现在还是如此。

  

  这些自制的仪器即使不再使用,也将继续留在实验室,让新入学的研究生用来了解测量原理和测量方法。陈立东说,新的测量设备自动化程度很高,用起来的确方便,可自制仪器却能让学生们深入了解其中的原理。

  

  这十几年间,陈立东课题组将热电器件的转换效率从不到6%,提升到了12%,这是目前世界热电器件转化效率的最高值。同时,他还在基础理论上获得了突破———发现新型高性能热电材料,曾获得国家自然科学二等奖。

  

  如今,国内整个热电领域的研究人员较十几年前已经增长了几十倍,中国在这个领域的影响力正在不断增大,陈立东也先后当选国际热电学会理事和亚洲热电联盟主席。

  

  前来寻求产业化合作的美国、日本企业已有不少,国内企业也渐渐出现。“现在国内的工业基础与二十年前相比已经大幅提升,国内企业对新技术敏感性也日益增进。”他说,目前热电材料的民用化产品在全球也刚起步不久,他希望中国企业可以接上这一棒,把科研的优势延续到产业界。

  

  编辑点评

  

  随着空间探索兴趣的增加、医用物理学的进展以及在地球难于日益增加的资源考察与探索活动,需要开发一类能够自身供能且无需照看的电源系统,热电发电对这些应用尤其合适。热电材料制备的微型元件用于制备微型电源、微区冷却、光通信激光二极管和红外线传感器的调温系统,大大拓展了热电材料的应用领域。因此,热电材料是一种有着广泛应用前景的材料,在环境污染和能源危机日益严重的今天,进行新型热电材料的研究具有很强的现实意义。



关键词: 仪器   技术前沿        

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