热电材料中导热系数检测方案(导热仪)

应用案例二Www.ctherm.com.cn C-Therm Technologies Ltd. The global leader in non-destructive thermal conductivity testing solution TCi导热系数分析仪在热电领域的应用 ZT=S-oT/K 导热系数分析仪 市场上唯一的可进行快速，精确测量且采用改良瞬态平面热源法的导热系数分析仪，仪器符合国际ASTM D7984标准。 C-Therm TCi导热系数分析仪采用新一代改良的瞬态平面热源法，能快速，准确的对材料进行无损的导热系数及蓄热系数测量。它采用单面，界面热传感器向探头表面施加一瞬时的恒定热源，通常测试时间为1-3s，可直接测量材料的导热系数和蓄热系数。TCi导热系数分析仪操作简便，体积小巧，广泛应用于各类实验室，质量检测中心，及企事业单位科研中心。 (1)施加已知电流到探头发热线圈上，向被测样品提供一小股热量；(2)受专利保护的“guard ring”技术，能够防止热量散失，保证热量沿着径向单向传递到被测样品。热量使得被测物体及探头接触面的温度上升，在探头上产生电压降； (3)通过探头表面的电压变化测定样品的热物性。 。技术指标 导热系数测试范围： 0~500W/mK 广泛温度范围：-50~200℃ 无需样品制备，无损测试 测试时间快速：0.8~2.5秒 适用范围：可测试固体，液体，粉体，胶体 最小测试样品尺寸：0.67"(17mm)直径 最大测试样品尺寸：不限 最小测试样品品度：通常0.02"(0.5mm)，基于测试物体的热传导性 ASTM标准： ASTM D7984 。应用 随着全球工业化进程的加快，世界能源短缺和枯竭已经成为每个国家不容忽视的问题，严重制约着社会长期稳定发展。研究和开发新能源已经成为全球能源发展的趋势。 生活中有许多耗费能源所生成、却又被废弃的热能，例如：汽车尾气、工厂锅炉排放的气体等等。如果能将这些热能善加利用，即可成为再次使用的能源；电能是最广泛使用的能源形式，但是目前发电的主要形式还是化石能源，这些能源的使用在给我们带来便利的同时，也带来了全球关注的环境问题；现代制冷技术给人们生活带来了很多便利，但是氟里昂制冷剂所带来的环境问题却不容忽视。热电材料以其独特的性能成为一种很有发展前途的功能材料，它的应用包括温差发电和温差制冷。 热电材料(又称温差电材料)是利用固体内部载流子和声子的传输及其相互作用来实现将热能和电能之间相互转换的半导体功能材料，可实现热能和电能的直接相互转化。无论用于发电还是制冷，热电材料的Z值越高越好。从前面的公式可知，材料要得到高的Z值，应具有高的Seebeck系数，高的电导率和低的热导率，所以好的热电材料必须要像晶体那样导电，同时又像玻璃那样导热。 0 ==导电性 提高热电材料性能的途径 寻找具有较高seebeck系数的材料； 提高材料的电导率； 热电材料的三个系数变化不是独立的，实验证明，对许多半导体材料，电导率提高导一定值后，其Seebeck系数却随着电导率的进一步提高而大幅度下降。若想获得性能更好的热电材料，降低材料的导热系数成为提高热电性能的最重要途径。材料的热导率为电子热导率和声子热导率之和。对热电材料而言，电子热导率占总热导率的比例较小。因此，通过增强晶格点阵对声子的散射来降低声子热导率以调节材料的热导率几乎成为提高材料热电优值最主要的方法。可以通过改变晶体结构、掺杂以及将材料制备成多晶材料，利用晶界对声子的衍射作用来降低声子的热导率。故而，研究和测试热电材料的导热系数成为影响材料性能和提高ZT值的关键因素。 应用案例一 加利福尼亚大学，伯克利分校的Madan教授研究了热电材料在热电发电机上的应用 材料：(MA) n型 BizTes-环氧树脂复合材料薄膜+ Se (1 wt%) 得到的最大ZT值： 0.31 表1.热电材料的导热系数和ZT值 图1.样品示意图(尺寸5mm~*700 pm*120pm) 结论： ZT值的增加，，可归因于添加了Se后，材料的电导率的增加，同时将烧结温度降低到350℃ 目前来讲，无机材料(Bi2Te3， PbTe， GeTe和Sb2Te3)仍然是热电领域的主要研究方向。然而，它们的实际应用通常被原材料的稀有性和昂贵的价格，毒性和生产的困难性所限制。在强烈的对比之下，有机高分子热电材料展示出了其独特的性能，例如低毒性，低的导热系数，易于加工等。尤其是有机导电高分子材料，例如PEDOT， PANI， PTh，.FPA以及它们的衍生物，在热电领域的应用上展示出了巨大的潜力。 高教授采用C-ThermTCi导热系数仪研究了石墨烯和聚合物基复合材料在热电领域的应用。 材料：PEDOT+石墨烯 图2. A. PEDOT和rGO复合材料的制备过程； B. rGO的SEM图； C.PEDOT和rGO复合材料的SEM图 表2. PEDOT和rGO热电材料的各项参数值 结论： PEDOT和rGO复合材料的ZT明显优于纯PEDOT， 可归于与复合材料形成的多孔多层结构，同时石墨烯的加入，增加了材料的电导率。 应用案例三 聚苯胺、聚乙炔、聚吡咯等的研究是目前国际上一个十分活跃的领域，由于它们具有优异的物理化学性能而使其在能源、光电器件、传感器以及生命科学等方面具有诱人的应用前景，特别是聚苯胺，其原料易得、制备方法简单，具有良好的空气稳定性和较高的电导率，更受研究者重视，是导电高分子材料研究的热点。与无机半导体热电材料相比，高分子材料具有质轻、制备简单、结构可设计、可薄膜化以及热导率很低等特点。本研究通过软模板法制备聚苯胺掺杂不同种类的酸，采用C-ThermTCi导热系数分析仪来研究高分子材料在热电材料方面的应用潜能。 ( 材料：聚苯胺 (PANI) ) ( 掺杂材料：盐酸HCL， 醋酸AcOH， 对甲苯磺酸p-toluenesulfonic acid (p-TSA) ) 图3.扫描电子显微镜照片(a-c) HCI (0.1， 0.5， 1.0 M)掺杂PANI纳米线；(d) AcOH (0.5M)掺杂PANI纳米线；(e) p-TSA (0.5 M) 掺杂 PANI 不规则纳米棒；(f) p-TSA(0.5M) 掺杂PANI纳米线. 图4.基于温度下的(a)电导率； (b)塞贝克系数； (c)导热系数； (d) ZT 结果表明：HCL掺杂含量越多，并不能显著提高材料的热电性能。醋酸掺杂PANI材料的塞贝克系数要小于盐酸掺杂材料的塞贝克系数，可归因于醋酸的掺杂能力比较差。而对甲苯磺酸掺杂的PANI纳米线复合材料的塞贝克系数，是盐酸掺杂PANI复合材料的四倍。 ( 不同酸掺杂的PANI纳米线导热系数高(0.2-0.4Wm1/K) 于纯PANI材料的导热系数(0.1Wm/K)。 ) PANI纳米材料的导热系数，对制备和掺杂的条件并不敏感，但是很容易受环境条件的影响。 从图d可知，对甲苯磺酸掺杂的PANI纳米线复合材料的ZT值最高，2.75×105(300K) 同时，制备了两种不同形貌(纳米棒和纳米线)的PANI，研究形貌对材料热电性能的影响。 200nm200nm 图5.(a)在冰浴条件下制备的PANI纳米棒； (b)在室温下制备的PANI纳米线 图6.PANI纳米带和纳米线的(a)电导率； (b)塞贝克系数； (c)热导率； (d) ZT值 结论：与纳米棒相比，纳米线的塞贝克系数增加了164%，导热系数降低了25%。PANI纳米线的ZT值是PANI纳米棒材料的5倍。因为，更小的直径和更规整的结构可以增加热电材料的塞贝克系数，直径减小，也能降低材料的导热系数，故而ZT值较大。 综上所述，热电材料的应用前景十分宽广，特别是在能源和环境方面有着不可替代的作用。但当前的热电材料的发展和应用还存在很大的问题和技术瓶颈，比如热电材料的热点优值普遍较低，高性能热电材料的制备成本高等问题。由于热电材料在人类社会发展过程中的重要作用，人们对该材料的研究将不断深入。作为为材料工作者提供服务的我们，更应该努力完善我们测试仪器的技术水平，不断满足科研应用的需求，为材料事业的发展贡献自己的一份力量。 我们的客户： 联系我们 C-THERM 邮箱： jzhang@ctherm.com 电话：13162718817 中文网站： www.ctherm.com.cn 上海办事处：虹口区花园路128号7街区D座201室 北京办事处：北京市朝阳区马泉营香江北路8号华人写字楼D06室     随着全球工业化进程的加快, 世界能源短缺和枯竭已经成为每个国家不容忽视的问题, 严重制约着社会长期稳定发展。研究和开发新能源已经成为全球能源发展的趋势。    生活中有许多耗费能源所生成、却又被废弃的热能，例如：汽车尾气、工厂锅炉排放的气体等等。如果能将这些热能善加利用，即可成为再次使用的能源；电能是最广泛使用的能源形式,但是目前发电的主要形式还是化石能源，这些能源的使用在给我们带来便利的同时，也带来了全球关注的环境问题；现代制冷技术给人们生活带来了很多便利，但是氟里昂制冷剂所带来的环境问题却不容忽视。热电材料以其独特的性能成为一种很有发展前途的功能材料, 它的应用包括温差发电和温差制冷。    热电材料（又称温差电材料）是利用固体内部载流子和声子的传输及其相互作用来实现将热能和电能之间相互转换的半导体功能材料，可实现热能和电能的直接相互转化。无论用于发电还是制冷，热电材料的Z值越高越好。从前面的公式可知，材料要得到高的Z值，应具有高的Seebeck系数，高的电导率和低的热导率，所以好的热电材料必须要像晶体那样导电，同时又像玻璃那样导热。    热电材料的三个系数变化不是独立的，实验证明，对许多半导体材料，电导率提高导一定值后，其Seebeck系数却随着电导率的进一步提高而大幅度下降。若想获得性能更好的热电材料，降低材料的导热系数成为提高热电性能的最重要途径。材料的热导率为电子热导率和声子热导率之和。对热电材料而言，电子热导率占总热导率的比例较小。因此，通过增强晶格点阵对声子的散射来降低声子热导率以调节材料的热导率几乎成为提高材料热电优值最主要的方法。可以通过改变晶体结构、掺杂以及将材料制备成多晶材料，利用晶界对声子的衍射作用来降低声子的热导率。故而，研究和测试热电材料的导热系数成为影响材料性能和提高ZT值的关键因素。