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热电材料新秀:多孔性物质 未来绿色设备指望它?
时间:2014-08-25     编辑:     |     打印    关闭

  这是不同的多孔层(梯度多孔材料)组成的层叠结构示意图。每一层包含一组间接分布、大小相同的孔(这里仅显示一组这样的粒子) 

  无论是发热的汽车,还是发热的手提电脑,你生活中的每台机器和设备都通过热损失浪费了大量能量。但是能够将热能和电能相互转化的电热装置可能能够利用废热提高绿色技术能源效率。这一效率的提高对于未来的可持续发展是十分必要的。如今,一项新的研究显示出了多孔性物质如何成为热电材料——即指出了如何在未来使用这种材料制作热电装置。 

  

 

  希腊雅典国家研究中心(Demokritos)Dimitris Niarchos说,世界上产生的所有能量中,大约70%以热量的形式消耗。他和在同一研究中心的Roland Tarkhanyan将他们的分析成果发布在美国物理联合会(AIP)出版的《APLMaterials》杂志上。 

  为了创造出能够充分利用这种热量的技术,世界各地的研究人员一直在试图创造更有效率的热电材料。一个有发展前景的材料要充满大小约一微米(十的负六次方米)到约一纳米(十的负九次方米)的微孔。Niarchos 说:多空热电技术能显着提高热电效率。所以这可以作为收集废热的一种可行手段 

  热量利用声子和震动的量化单位(作为载热粒子)穿过材料。当声子跑进一个孔里时,它会分散、损失能量。因此,声子不能有效地携带热量通过多层材料。这导致该材料的导热系数会比较低。而这一低导热率会提高热电转化效率。材料的孔越多,则导热系数越低,就越适合做热电材料。 

  但是Niarchos 说,到目前为止,研究人员还没有系统地模拟出多孔材料是如何保持低导热系数的。所以他和Roland Tarkhanyan研究了微纳米多孔材料的四个简单模型结构的导热性能。他还说这一分析为如何设计这种用于热电设备的的材料提供了大致的方向。 

  总的来说,研究人员发现当孔越小、挤得越密时,导热系数就越低。Niarchos 说他们的运算结果与其他实验得出的数据非常吻合。他们也表示,微纳米多孔材料基本上比无孔材料的热-电转化率要高出好几倍。 

  第一个模型所描述的材料充满着小孔,孔的直径从微米到纳米,大小不等;第二个模型描述的是一个多层材料。由于材料的每一层的孔与其他层的孔的尺度是不一样的,所以它的孔隙度会比较特殊;第三个模型描述的是一个由三维立方晶格组成的材料,立方晶格的孔大小相同;第四个模型描述的是另外一种多层材料,这一材料的每一层都包含一个立方晶格,立方晶格的孔大小也相同,但每一层的孔大小不同。 

  通过分析,第一个模型和第四个模型比第二个模型的导热系数低。第三个模型似乎是最好的,因为它的导热系数比第四个模型的导热系数还要低。 

  但是Niarchos 说,除了第一个模型之外,其余的模型都是不切实际的。因为第二、三、四个模型展现的都是小孔完美组合的一种理想化的状态。现实中,精确地创造出大小完全相同的孔是不可能的。因此,第一个模型是最有可能实现的。 

  不过他还说,所有的模型都展示了多孔性在热电材料中的重要性。在简单的一般的解析公式上建立模型,除了需要对多孔材料的有效晶格导电系数进行快速、精准的计算,还需要对材料进行系统化的分析。 

  来源: 新材料在线 http://lights.ofweek.com/2014-07/ART-220019-8140-28856318_2.html 

 
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