來源|Materials Today
01
背景介紹
熱電( TE )技術(shù)作為一種綠色的工程解決方案,在小規(guī)模制冷和余熱回收方面越來越受到關(guān)注。在實際應(yīng)用中,固態(tài)冷卻是其主導(dǎo)應(yīng)用,由于具有高可靠性和緊湊性、無噪音運行、精確控溫等優(yōu)點,已經(jīng)具有成熟的商用市場。除了邊界或界面,孔隙率是另一種有效的策略,有望干擾聲子輸運以提高ZT。根據(jù)有效介質(zhì)理論,導(dǎo)熱系數(shù)隨孔隙率的增加幾乎呈線性減小。如果電輸運受到的影響較小,則可以凈增加功率因子與熱導(dǎo)率的比值PF / κ,從而獲得增強(qiáng)的ZT,這已經(jīng)在BiSbTe、SnTe和方鈷礦中實現(xiàn)。然而,納米級孔隙對熱電性能的作用目前仍存在爭議,因為在某些情況下,電導(dǎo)率的降低速率比熱導(dǎo)率的降低速率快得多,這將導(dǎo)致ZT惡化。這種明顯的反差可能與孔隙的大小和分布以及材料的本征性質(zhì)有關(guān)。
02
成果掠影
納米晶粒和孔隙作為兩種常見的微結(jié)構(gòu)缺陷,能夠阻礙聲子的傳輸。然而,迄今為止,納米晶粒在高溫下的穩(wěn)定性以及多孔性在提高熱電優(yōu)值ZT方面的可行性仍是熱電領(lǐng)域關(guān)注的問題。
近日,哈工大材料學(xué)院隋解和教授、劉紫航教授和西安交通大學(xué)、中科院物理研究所組成的研究團(tuán)隊
首次利用超細(xì)晶和多孔結(jié)構(gòu)的鎂銀銻(MgAgSb)基熱電材料制備了高性能熱電制冷器件,在α-MgAgSb中設(shè)計的主要由納米晶區(qū)域內(nèi)的超細(xì)晶粒和隨機(jī)分布的孔隙組成的微結(jié)構(gòu),在300?K時,產(chǎn)生了超低的晶格熱導(dǎo)率0.46?W/mK,突破了估計最小值的限制,為熱電制冷性能優(yōu)化提供了新思路。研究成果以“Highly efficient thermoelectric cooling performance of ultrafine-grained and nanoporous materials”為題發(fā)表在《Materials Today》上。
03
圖文導(dǎo)讀
圖1. 微觀結(jié)構(gòu)演變的原理圖、改進(jìn)的熱電性能、模塊的冷卻性能。A:燒結(jié)溫度對樣品組織結(jié)構(gòu)的影響示意圖,B:超細(xì)晶和多孔結(jié)構(gòu)對MgAgSb晶格熱導(dǎo)率的降低效果,C:超細(xì)晶和多孔結(jié)構(gòu)MgAgSb與其他方式優(yōu)化MgAgSb材料的熱電優(yōu)值對比,D:制備的熱電制冷器件與目前最先進(jìn)制冷器件的最大溫差對比,E:制備的熱電制冷器件與目前最先進(jìn)制冷器件的最大COP對比。
圖2. 在473 K條件下燒結(jié)的樣品微觀結(jié)構(gòu)表征圖。
圖3. 熱性能分析。
圖4. 電輸運性能和優(yōu)良熱點效率。
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