热电器

导读：当今，化石能源短缺和环境污染问题凸显，能源的多元化和高效多利用成为解决能源与环境问题的一个重要途径。作为一种绿色能源技术和环保型制冷技术热电转换技术受到学术界和工业界的广泛关注。热电器件可以实现热能和电能的直接转换，在航空航天、低品位热回收和固态制冷领域具有重要的研究价值。 热电转换技术是利用材料的塞贝克（Seebeck）效应与帕尔贴（Peltier）效应将热能和电能进行直接转换的技术，包括热电发电和热电制冷。这种技术具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物、适用温度范围广等特点。随着研究的深入，特别是对热电半导体输运机制的深入理解及新的调控机理及制备手段的应用，热电材料的性能得到了长足的进步，研究重点也逐渐从侧重基础的材料研究向侧重应用的器件研究转移。热电器件可按用途简单分为热电发电器件（TEG）及热电制冷器件（TEC），一般由n型和p型的热电材料通过热并联和电串联的形式构成，其工作原理见图1。随着航空航天、物联网及低品位热回收等领域的发展，热电发电器件的性能越来越受到人们关注，除了用于制备器件的热电材料本身的zT值这一重要因素外，器件的结构（形状、尺寸、连接方式）以及界面材料等都对器件性能有重要影响，因此，对于发电器件性能的准确测量从而改善器件的设计及制造工艺成为科研工作者的迫切需求。图1、热电发电器件与制冷器件的工作原理日本Advance Riko公司推出的小型热电转换测量系统Mini-PEM（图2）可以测量单腿器件的热电转换效率，该设备为目前商用的可以测量单腿器件热电转换效率的测量系统，热端温度高达500℃，可以测量器件在不同温差条件下的发电量、热流量及大转换效率。在近期的工作中，科研工作者使用小型热电转换测量系统Mini-PEM测量了碲化铋基热电材料制备的单腿发电器件。图2、小型热电转换效率测量系统Mini-PEM碲化铋基热电材料是目前应用广的热电材料，其具有优异的热电性能，且能在近室温附近表现出佳性能，国内外大量的科研团队对于提升其性能进行了大量深入的研究。近日，来自清华大学的研究团队使用放电等离子体烧结法，对碲化铋合金的制备工艺的改良进行了研究。该团队在原料中加入过量碲单质，随后控制放电等离子体烧结温度在共晶点上循环升降。采用此工艺能有效降低晶粒的界面自由能，促进晶粒的快速长大，从而减弱了块体内部晶界对载流子的散射作用，显著改善了电学性能提升了功率因子（PF）；在伴随共晶液相的挤出过程中引入大量位错。同时还可形成大量二相，进一步增加了位错密度。这些结构能有效增强声子散射，从而降低晶格热导率（κL）。终，优化工艺参数和组分的p型(Bi,Sb)2Te3材料的ZT值达到1.46，较常规放电等离子体烧结得到的商用(Bi,Sb)2Te3材料提升了50%，采用该材料制备的单腿器件的热电转换效率提升超过80%[1]。图3、单腿器件结构图及实物照片（a），热电转换效率（η）与电流（I）的关系：经过4次SPS循环的Bi0.4Sb1.6Te3.2（b），1C样品：1次循环（c），商用(Bi,Sb)2Te3：标准球磨-烧结制备（d），经过4次SPS循环的Bi0.4Sb1.6Te3.2的理论值（e）作为发电热电材料，p型Bi2Te3基热电材料性能高，但高性能的n型材料相对缺乏，为解决这一问题，科研工作者进行了多种尝试。来自南方科技大学的科研团队在n型Bi2Te3材料中复合过量的碲（Te）单质，通过烧结使碲单质熔化流出，在基体中引入位错。此外，还复合掺杂了锑（Sb）元素，使材料中同时存在多种缺陷，从而达到了降低热导率的目的，显著提高zT值。使用Bi1.8Sb0.2Te2.7Se0.3 + 15 wt% Te 的n型热电腿和Bi0.5Sb1.5Te3的p型热电腿制备的热电转换器件，实现了3.7W的大输出功率及6.6%的转换效率[2]。与上述研究不同，此工作中科研工作者制备了由70对π形结构组成的器件（图4），器件尺寸30 mm×30 mm×3.8 mm，值得注意的是，本工作的发电量及热电转换效率是由日本ADVANCE RIKO公司生产的热电转换测量系统PEM-2测得的。图4、载流子局域化示意图（a），n型Bi2(TeSe)3的zT值与温度的关系曲线（b），热电器件的输出功率（c），热电转换效率（d）热电转换测量系统PEM-2支持多种器件尺寸，热端高温度可达800℃，测量在惰性气体（Ar）中进行。为了模拟热电发电器件在真实工况中的使用，Advance Riko公司新近推出了大气环境下热电材料性能评估系统F-PEM，该系统可在大气环境下，对负荷温差的器件的发电量及热流量进行测量，计算热电转换效率。该系统还可以长时间运行热循环测试，从而测试商用组件在负载和温度下的耐久性。图5、热电转换效率测量系统PEM-2（a），大气环境下热电材料性能评估系统F-PEM（b）此外，上述两篇文章中材料的电输运性能（电导率σ、塞贝克系数S）均使用日本Advance Riko公司生产的塞贝克系数/电阻测量系统ZEM-3（图6）测得。图6、塞贝克系数/电阻测量系统ZEM-3延伸阅读日本Advance Riko公司已专业从事“热”相关技术和设备的研究开发近60年，并一直走在相关领域的前端，为各地的科学研究及生产活动提供了诸如红外加热、热分析/热常数测量等系统。2018年初，Quantum Design 中国公司将日本Advance Riko公司的新先进热电材料测试设备：小型热电转换效率测量系统Mini-PEM、塞贝克系数/电阻测量系统ZEM、热电转换效率测量系统PEM及薄膜厚度方向热电性能评价系统ZEM-d引进中国。 2018年7月，Quantum Design中国与日本Advance Riko达成协议，作为其热电材料测试设备在中国的代理商继续合作，携手将日本Advance Riko先进的热电相关设备介绍到中国。 目前，所有中国用户购买的日本Advance Riko热电产品，均由Quantum Design中国公司的工程师团队负责安装及售后服务。同时，Quantum Design 中国公司在日本Advance Riko公司的协助下，在北京建立部分热电设备示范实验室和用户服务中心，更好的为中国热电技术的发展提供设备支持和技术服务。 参考文献：[1] H. Zhuang et al. / Thermoelectric Performance Enhancement in BiSbTe Alloy by Microstructure Modulation via Cyclic Spark Plasma Sintering with Liquid Phase. Adv. Funct. Mater. 2021, 2009681[2] B. Zhu et al. / Realizing Record High Performance in n-type Bi2Te3-Based Thermoelectric Materials. Energy Environ. Sci., 2020, 13, 2106-2114

导读：8月20日， 赛默飞世尔科技联合谱尼测试针对RoHS2.0法规在青岛举办山东省电子电器行业检测技术研讨会，吸引来自山东电子电器行业及监管单位逾250名客户参会。 质检总局正式发布《2016年度国外技术性贸易措施对我国出口企业影响的问卷调查报告》显示，2016年度我国有34.1%的出口企业受到国外技术性贸易措施不同程度影响，其中，电气设备产品受国外技术性贸易措施影响的直接损失额高达1013.9亿元。据质检总局相关负责人介绍，有毒有害物质限量要求是影响我国工业品出口的技术性贸易措施壁垒之一。为规范电子电器产品的材料及工艺标准，欧盟立法制定RoHS指令，即《关于在电子电气设备中限制使用某些有害物质指令》。2015年颁布的欧盟RoHS2.0修订指令(EU)2015/863，由原来的六项管控物质：铅(Pb)、汞(Hg)、镉(Cd)、六价铬(Cr VI)、多溴联苯(PBB)、多溴二苯醚(PBDE)），变为十项管控物质，新增邻苯二甲酸二(2-乙基己基)酯(DEHP)、邻苯二甲酸甲苯基丁酯(BBP)、邻苯二甲酸二丁基酯(DBP)、邻苯二甲酸二异丁酯(DIBP)，并规定四种邻苯二甲酸酯在均质材料中的含量不得超过0.1%，且自2019年7月22日起所有输欧电子电器产品(除医疗和监控设备)均需满足该限制要求，对电子电器行业检测规范及能力建设迫在眉睫。在质检总局发布报告中显示，受国外技术性贸易措施影响最大的省份正是山东，为助力山东电子电器设备制造商以及供应链轻松应对从原料采购到生产质量、检验等环节需求，赛默飞联合谱尼测试集团在青岛举办山东省电子电器行业检测技术研讨会。 图1.山东省电子电器行业RoHS检测技术研讨会现场谱尼测试作为最早具备RoHS检测能力的第三方实验室，对RoHS法规有着非常深入研究。研讨会上，来自谱尼测试集团的孙康琳经理针对欧盟RoHS、中国RoHS法规进行深入解读。针对指令中管控的重金属、阻燃剂和增塑剂，赛默飞能提供最全面的解决方案，包括样品前处理、仪器方法、消耗品、软件和技术支持等。赛默飞为多溴联苯、多溴二苯醚阻燃剂、邻苯二甲酸酯和多环芳烃等有害物质的测定提供加速溶剂萃取（ASE）前处理、以及气相色谱（GC）、气相色谱- 质谱联用仪（GC-MS）和高效液相色谱仪（HPLC）等检测技术，并提供原子吸收光谱仪（AAS）、电感耦合等离子发射光谱仪（ICP-OES）、电感耦合等离子体- 质谱仪（ICP-MS）和离子色谱仪（IC）用于测定镉、铅和汞，分离并测定六价铬。除了满足RoHS要求的常规检测，赛默飞还提供Py-GCMS以满足电子电器产品中塑化剂的快速筛查，燃烧离子色谱用于电子电器产品中的总卤筛查。除了RoHS法规外，面对不同领域的REACH，POPs等法规要求，赛默飞均能提供从样品前处理到最终结果报告的全流程解决方案，为电子电器等行业的产品安全和高品质保驾护航。 图2. 赛默飞RoHS检测全流程方案 图3、赛默飞行业经理崔晓亮《RoHS指令之 阻燃剂和增塑剂检测方案》报告图4、赛默飞产品经理汪琼《RoHS指令之 金属离子检测方案》报告

赛默飞近日发布气相-质谱法测定电子电器产品中六溴环十二烷的解决方案，通过使用Thermo ScientificTMTRACETM1300 气相色谱仪和Thermo ScientificTMISQTM系列四极杆 GC-MS 系统，实现优异的灵敏度和检测效率。六溴环十二烷（HBCD）是一种高含溴量的脂环族添加型高效阻燃剂，广泛应用于塑料、纺织品、涂料与黏合剂等产品中，现已成为世界上仅次于十溴二苯醚和四溴双酚A的第三大用量的阻燃剂。但经研究发现，HBCD对生物体具有持久性、蓄积性的毒害作用。欧盟的REACH指令和挪威的PoHS指令均将其列入限用物质名单，规定其在消费品中含量不得高于0.1%。本方法是将塑料制品超声提取，用气相色谱-质谱进行定性、定量，结果是HBCD总残留量。方法操作简单，检出限远低于国家标准中规定的最低测定低限50 mg/kg。应用文章下载链接：https://www.thermofisher.com/content/dam/tfs/Country%20Specific%20Assets/zh-ch/CMD/Chrom/environment/documents/Measurements%20of%20Six%20HBCD%20in%20electrical%20and%20electronic%20products%20by%20GCMS.pdf---------------------------------------------------关于赛默飞世尔科技赛默飞世尔科技（纽约证交所代码：TMO）是科学服务领域的世界领导者。公司年销售额170亿美元，在50个国家拥有约50,000名员工。我们的使命是帮助客户使世界更健康、更清洁、更安全。我们的产品和服务帮助客户加速生命科学领域的研究、解决在分析领域所遇到的复杂问题与挑战，促进医疗诊断发展、提高实验室生产力。借助于首要品牌Thermo Scientific、Applied Biosystems、Invitrogen、Fisher Scientific和Unity Lab Services，我们将创新技术、便捷采购方案和实验室运营管理的整体解决方案相结合，为客户、股东和员工创造价值。欲了解更多信息，请浏览公司网站：www.thermofisher.com 赛默飞世尔科技中国赛默飞世尔科技进入中国发展已有30多年，在中国的总部设于上海，并在北京、广州、香港、台湾、成都、沈阳、西安、南京、武汉、昆明等地设立了分公 司，员工人数约3800名。我们的产品主要包括分析仪器、实验室设备、试剂、耗材和软件等，提供实验室综合解决方案，为各行各业的客户服务。为了满足中国市场的需求，现有8家工厂分别在上海、北京和苏州运营。我们在全国共设立了6个应用开发中心，将世界级的前沿技术和产品带给国内客户，并提供应 用开发与培训等多项服务；位于上海的中国创新中心结合国内市场的需求和国外先进技术，研发适合中国的技术和产品；我们拥有遍布全国的维修服务网点和特别成 立的中国技术培训团队，在全国有超过2000名专业人员直接为客户提供服务。我们致力于帮助客户使世界更健康、更清洁、更安全。欲了解更多信息，请登录网站：www.thermofisher.com请扫码关注：赛默飞世尔科技中国官方微信