基于撓曲電效應(yīng)的熱電轉(zhuǎn)換研究.pdf

1、進(jìn)入二十一世紀(jì)后，世界范圍內(nèi)普遍地意識(shí)到了能源危機(jī)的迫切性。尋求新能源成為人們關(guān)注的重點(diǎn)，關(guān)于太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能等可再生能源應(yīng)用的研究迅速發(fā)展。同時(shí)，通過(guò)廢熱回收進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換以提高現(xiàn)有能源利用效率的研究也吸引了很多的關(guān)注。熱-電發(fā)電主要以Seebeck效應(yīng)為基礎(chǔ)，熱釋電效應(yīng)也稍有涉及。這兩種效應(yīng)在進(jìn)行熱-電轉(zhuǎn)換的過(guò)程需要特殊的熱環(huán)境:溫度梯度或溫度變化的環(huán)境。盡管這些特殊的熱環(huán)境是它們產(chǎn)生熱電輸出的直接驅(qū)動(dòng)力，但也在一定程度

2、上限制了它們?cè)趯?shí)際中的適用性。本論文針對(duì)熱-電耦合過(guò)程，嘗試將熱電輸出時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力與熱輸入分離開(kāi)來(lái)，使熱電轉(zhuǎn)換變得更加可控。顯然，這需要借助于其他效應(yīng)。撓曲電效應(yīng)描述了材料中電極化與應(yīng)變梯度之間的耦合，可表示為:Pl=μijkl（(a)sij/(a)xk）。撓曲電效應(yīng)作用過(guò)程可以和電場(chǎng)極化的過(guò)程類(lèi)比，因此，從其作用過(guò)程中可以提取出“撓曲電電場(chǎng)”Eflexo。類(lèi)似地，此Eflexo應(yīng)可以驅(qū)動(dòng)載流子形成電流。將受到彎曲作用的材料置于高溫環(huán)

3、境中，則內(nèi)部產(chǎn)生的“撓曲電電場(chǎng)”會(huì)驅(qū)動(dòng)熱激活的載流子形成電流，即實(shí)現(xiàn)撓曲電熱電轉(zhuǎn)換。從這點(diǎn)出發(fā)，本論文先詳細(xì)闡明這種現(xiàn)象的存在，而后通過(guò)改進(jìn)原型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使這種撓曲電熱電轉(zhuǎn)換更具實(shí)際應(yīng)用的可能。
　　(1)從實(shí)驗(yàn)角度表征了氧化物鐵電陶瓷中的熱釋電效應(yīng)、組分改性的氧化物鐵電陶瓷中的Seebeck效應(yīng)，分析測(cè)試過(guò)程中的熱環(huán)境及熱電響應(yīng)特征。基于測(cè)試中的這些特點(diǎn)，可有效地分析后續(xù)實(shí)驗(yàn)中測(cè)試到的熱電流。通過(guò)估算可知:在受到彎曲應(yīng)力的條件

4、下，薄板狀陶瓷中測(cè)試到的熱電流主要來(lái)源于Eflexo驅(qū)動(dòng)熱激活載流子定向遷移的過(guò)程。這是探索撓曲電熱電轉(zhuǎn)換的原型研究，它實(shí)現(xiàn)了均勻溫度熱環(huán)境中的熱電轉(zhuǎn)換。此外，陶瓷材料的制備過(guò)程會(huì)不可避免地引起材料表現(xiàn)出宏觀內(nèi)偏壓。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高溫條件下這種內(nèi)偏壓可被撓曲電效應(yīng)改寫(xiě)，這說(shuō)明內(nèi)偏壓的形成過(guò)程可能與撓曲電效應(yīng)之間存在緊密聯(lián)系，對(duì)設(shè)計(jì)獨(dú)立的撓曲電熱電轉(zhuǎn)換材料具有啟發(fā)意義。
　　(2)結(jié)合撓曲電效應(yīng)作用的過(guò)程，可知撓曲電熱電轉(zhuǎn)換過(guò)程

5、中的決定因素是材料內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)變梯度。非對(duì)稱(chēng)的化學(xué)還原后，宏觀陶瓷系統(tǒng)在厚度方向上呈現(xiàn)出明顯的組分梯度。在低于還原溫度的溫度范圍內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生宏觀的內(nèi)應(yīng)變梯度。此外，還原過(guò)程使系統(tǒng)的電導(dǎo)率大大提升。通過(guò)估算可知，撓曲電效應(yīng)支配了非對(duì)稱(chēng)還原后陶瓷片中表現(xiàn)出的宏觀電勢(shì)差。因而，在高溫條件下非對(duì)稱(chēng)還原的陶瓷片中表現(xiàn)出的熱-電輸出行為，是比原型設(shè)計(jì)中增強(qiáng)許多的撓曲電熱電轉(zhuǎn)換現(xiàn)象。
　　(3)非對(duì)稱(chēng)還原后，陶瓷片的電導(dǎo)性能大幅提升，使其可歸