申请书 多组元含稀土金属碲化物的设计与热电性能优化项目研究意义精选.doc

申请书正文 多组元含稀土金属碲化物的设计与热电性能优化 项目研究意义 热电材料是一种通过载流子（电子或孔穴）的运动实现电能和热能直接相互转换的新型功能材料。由热电材料制作的发电和制冷装置具有体积小、无污染、无噪音、无磨损、可靠性好、寿命长等突出优点，具有其它能量转换装置无法替代的潜在功能。由热电材料制作的发电器件可应用于深层空间作业的宇宙飞船、在地球难以到达地区日益增加的资源考察与探索活动和开发一类需要能够自身供能且无需照看的电源系统等特殊领域，并有逐渐向民用领域扩展的趋势。在热电制冷领域中，其中潜在的应用有：家用冰箱、冷柜、超导电子器件冷却等。 热电材料的性能由无量纲优值ZT=T((2/(描述，其中( 是Seebeck系数、( 是电导率、( 是热导率、T是绝对温度。热电材料的ZT值直接决定热电装置的能量转换效率，是目前制约热电制冷/发电装置广泛应用的关键技术因素。近年来，由于一些新材料的发现，材料先进制备技术的应用，以及人们对环境保护等问题的日益重视，热电材料研究已重新成为新材料研究的热点之一。自1999年以来，国际权威杂志《Science》、《Nature》上已发表多篇研究论文、综述报告和评论文章(1,2,3,4)，热电材料及其应用研究正酝酿重大突破。 但尽管对热电材料及其器件的研究已有100多年的历史，却离实用目标尚有差距。到目前为止，已被小范围应用的热电制冷材料主要是50年代开发的Bi-Te系列合金，而这些材料的性能还一直徘徊在ZT=1左右（5，6）。近年来，随着计算机技术、航天技术、超导技术及微电子技术的发展，小型、静态且能固定安装在长寿命的发电和制冷装置已越来越受重视，因此对热电材料的研究再度升温。 因此能否开发出高性能新型热电材料已经成为高效热电转换器件能否实现产业化的实质点。 热电材料及其器件在我省的应用潜力巨大。目前温差发电已形成了一个新的行业，新产品不断出现，整个行业处在上升阶段，发展前景十分广阔。从热电制冷方面，电子制冷器、便携式冷暖箱、柔巾机等电子产品相继问世。采用温差电制冷技术的生物培养箱是在宇宙飞船上搭载生物试验的重要装置，可使箱内温度保持在18(20oC，以保障试验生物的生存条件。发展潜力更大的是，半导体制冷CPU散热器可将彻底消除CPU工作时的温度过高现象。但不可否认的事实是，我省在这一领域的研究水平与国外发达国家相比仍然处于劣势，对热电材料的基础研究起步也较晚。因此进一步开展热电材料及其应用研究，对于促进我省电力多元化、加快我省半导体学科、新能源学科的发展以及相关科学技术的进步具有重要意义。 从经济发展角度，热电材料及其相关器件 在我省具有巨大的产业化前景。我省目前已有多家企业应用热电材料。如：浙江星星冰箱有限公司自1997年以来在我国率先生产50升半导体制冷冰箱，前年年产量已达50万台；杭州大和热磁电子有限公司已规模生产制冷用热电器件；宁波余通电器有限公司采用温差电制冷材料研制和生产各种型号电子冷胆、汽车冰箱等电器产品，制冷功率可达70W，这些产品已在民用领域得到应用，促进了我国的经济发展。但目前许多企业所使用的热电材料都是五六十年代开发的传统的Bi-Te系列合金，热电转换效率一般不高于8%，其性能尚不能满足规模应用及高能量转换效率的要求，同时目前尚依赖进口。因此进一步开发高效热电材料对我省的经济发展意义重大。 热电材料制作的器件对我省社会可持续发展的意义也极为重大。热电制冷装置不仅体积小、寿命长、而且无噪音、无污染，是新一代“绿色”能源材料。近年来，由于发现传统制冷工质氟利昂对地球大气臭氧层的破坏，限期禁用氟利昂的维也纳宣言和蒙特利尔公约已被绝大多数国家承认，半导体制冷技术由于其对环境无污染的优点再次引起人们的关注。我省有许多旅游景点，环境保护尤为重要，工业化不能再以耗竭资源、恶化环境为代价，不能再走先期工业化国家走过的“先污染、后治理”的老路。工业化要以资源、环境、人口等相协调。因此，如何有效地利用温差发电装置对冶金、窑炉及汽车散发的余热进行发电，如何采用热电制冷方式代替传统的以氟利昂为制冷剂的制冷装置，对低品位能源利用以及环境保护方面可作出特殊贡献，对我省可持续发展也可作出特殊贡献。 国内对热电材料的研究起步较晚，对室温用金属碲化物系列合金也进行过研究，但合成后的材料热电性能提高不明显[7,8]。其原因可归结为如下几点：（1）对于热电材料，同时要提高电导率、降低热导率往往是相互矛盾的。室温用金属碲化物系列合金并不属于典型的有孔类材料，因此采用“填充”原子的方法来降低热导率效果不大。材料热电性能的提高却需从合金的组成、成分与结构多方面综合考虑。掺杂剂或合金元素的种类与掺杂浓度的大小是决定材料电学性能的关键，材料中载流子浓度的大小不仅与添加合