热电材料

热电材料以强烈或方便的形式表现出热电效应。

该热电效应是指由其中a现象温度差产生的电位或电位产生的温度差。这些现象更具体地称为塞贝克效应（从温差产生电压）、珀尔帖效应（用电流驱动热流）和汤姆森效应（当同时存在电流和温度梯度时，导体内的可逆加热或冷却）。虽然所有材料都具有非零热电效应，但在大多数材料中，它太小而无用。然而，具有足够强的热电效应（和其他所需特性）的低成本材料也被考虑用于包括发电和制冷在内的应用。最常用的热电材料是基于碲化铋（Bi2在3）。

热电材料在热电系统中用于特殊应用中的冷却或加热，并且正在研究作为一种从废热中再生电力的方法。

这些材料的生产方法可分为基于粉末和晶体生长的技术。基于粉末的技术提供了出色的能力来控制和保持所需的载体分布、粒度和组成。在晶体生长技术中，掺杂剂通常与熔体混合，但也可以使用气相扩散。在区域熔化技术中，不同材料的圆盘堆叠在其他圆盘上，然后当移动加热器引起熔化时，材料彼此混合。在粉末技术中，不同的粉末在熔化前以不同的比例混合，或者在压制和熔化之前以不同的层堆叠。

有一些应用，例如电子电路的冷却，需要薄膜。因此，也可以使用物理气相沉积技术合成热电材料。利用这些方法的另一个原因是设计这些阶段并为批量应用提供指导。

3D打印技术的显着提高使得通过3D打印制备热电元件成为可能。热电产品由吸热发电的特殊材料制成。在严格受限的空间中拟合复杂几何形状的要求使3D打印成为理想的制造技术。在热电材料生产中使用增材制造有几个好处。增材制造允许对这些材料的设计进行创新，促进传统制造工艺无法实现的复杂几何形状。它减少了生产过程中浪费的材料量，并通过消除可能耗时且昂贵的工具和原型制造的需要来缩短生产周转时间。

有几种主要的增材制造技术已成为生产热电材料的可行方法，包括连续喷墨印刷、分配器印刷、丝网印刷、立体光刻和选择性激光烧结。每种方法都有其自身的挑战和局限性，尤其是与可以使用的材料类别和形式有关。例如，选择性激光烧结(SLS)可用于金属和陶瓷粉末，立体光刻(SLA)必须用于包含所选热电材料的固体颗粒分散体的可固化树脂，而喷墨印刷必须使用通常由以下材料合成的油墨将无机粉末分散到有机溶剂中或制成悬浮液。

通过增材制造生产热电材料的动机是由于希望改善这些材料的性能，即增加它们的热电品质因数ZT，从而提高它们的能量转换效率。已经进行了研究，证明了通过增材制造生产的热电材料的功效和材料特性。一种基于挤压的增材制造方法被用来成功地打印出各种几何形状的碲化铋(Bi2Te3)。该方法利用合成的全无机粘弹性油墨，使用Sb2Te2硫族金属化物离子作为Bi2Te3的粘合剂基于粒子。该方法的结果表明，整个材料具有均匀的热电特性，p型样品的热电品质因数ZT为0.9，n型样品为0.6。还发现这种材料的塞贝克系数随着温度升高到200°C左右而增加。

还对使用选择性激光烧结(SLS)生产热电材料进行了开创性研究。松散的Bi2Te3粉末已通过SLS印刷，无需使用材料的预处理或后处理、基材的预成型或使用粘合剂材料。打印的样品实现了88%的相对密度（相比之下，传统制造的Bi2Te3的相对密度为92%）。扫描电子显微镜(SEM)成像结果显示沉积材料层之间充分融合。尽管熔化区域内存在孔隙，但这是SLS制造的零件普遍存在的问题，这是由于在快速凝固过程中被困在熔化材料中的气泡造成的。X射线衍射结果表明，激光熔化后材料的晶体结构完好。

还研究了样品在高达500°C的高温下的塞贝克系数、品质因数ZT、电导率和热导率、比热和热扩散率。特别令人感兴趣的是这些Bi2Te3样品的ZT，发现其随着温度升高到300°C左右而降低，在300-400°C之间的温度下略有增加，然后在温度没有进一步升高的情况下急剧增加。达到的最高ZT值（对于n型样品）约为0.11。

使用SLS生产的样品的体热电材料特性与使用传统制造方法生产的热电材料具有可比的热电和电特性。这是SLS热电材料生产方法的首次成功应用。

热电材料可用作冰箱，称为“热电冷却器”或在控制其操作的珀尔帖效应之后的“珀尔帖冷却器”。作为一种制冷技术，帕尔贴制冷远不如蒸汽压缩制冷常见。Peltier冷却器（与蒸汽压缩式冰箱相比）的主要优点是它没有活动部件或制冷剂，并且尺寸小且形状灵活（外形）。

珀耳帖冷却器的主要缺点是效率低。据估计，在大多数应用中，需要ZT>3（大约20-30%卡诺效率）的材料来代替传统的冷却器。今天，珀尔帖冷却器仅用于利基应用，尤其是小规模应用，在这些应用中效率并不重要。

热电效率取决于品质因数ZT。ZT没有理论上的上限，随着ZT接近无穷大，热电效率接近卡诺极限。然而，直到最近，还没有已知的热电体的ZT>3。2019年，研究人员报告了一种ZT介于5和6之间的材料截至2010年，热电发电机服务于效率和成本不如可靠性、轻质和小尺寸重要的应用领域。

内燃机可捕获燃料燃烧过程中释放的能量的20-25%。提高转换率可以增加里程数，并为车载控制和生物舒适（稳定控制、远程信息处理、导航系统、电子制动等）提供更多电力。有可能转移能量从发动机（在某些情况下）到汽车中的电气负载，例如电动助力转向或电动冷却液泵操作。

热电联产发电厂将发电过程中产生的热量用于替代用途。热电可以在此类系统或太阳能热发电中找到应用。