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小木虫论坛-学术科研互动平台 » 材料区 » 功能材料 » 热电材料 » 关于降低热导率的一些疑虑
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风行者mj

金虫 (小有名气)

[求助] 关于降低热导率的一些疑虑

本人目前对热电材料研究不深，在学习过程中遇到了一些关于降低热导率的疑惑，希望有高手能指点一二。

目前降低材料热导率的方法主要是采用点缺陷散射以及纳米化的晶界散射，这两种手段都做得比较成熟了。然而，对于热导率而言，其由密度，热扩散系数和比热容三者的乘积决定。一般而言，研究者都是针对降低热导率这个整体而开展工作的。我的问题是，由于热导率由上述三个参数决定，那么，如果从降低密度，降低热扩散系数以及降低比热容这三点分别进行研究工作，能否得到一些更好的实验想法与结果。

之所以产生上述想法，主要在是最近看到的一些文献中发现，改变实验条件后，比热容往往在一个很小的范围内变化，而热扩散系数的变化很大从而使得热导率发生明显变化。因此，想到能否分开控制比热和热扩散系数会更好。

另外，考虑到密度与机械性能和电性能关系密切，往往相对密度值应该是越大越好，所以，密度最好不要将低。目前主要对热扩散系数和比热的微观机理还是了解不够，所以提出了上述疑惑，希望能有高手帮忙指导下。
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struggletosuccess
1楼2013-11-23 18:05:20
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fcg1282

铜虫 (小有名气)
引用回帖:
6楼: Originally posted by 风行者mj at 2013-11-24 20:03:33
你提到的关于比热的这个部分，和我最近看到的书籍上提到也比较一致，而且，我之前看的许多文献也表明，一般来说，掺杂以及纳米化等方法对于材料的比热影响似乎不大。此外，关于热扩散系数这点我还不太清楚，为什么 ...

一般热电材料的密度都很高，致密度基本上要做到95%以上，传统的PbTe和BiTe都在99%以上，是因为密度的降低对迁移率的损失大于对热导率的降低，所以好的热电材料密度都尽量做高；密度跟热扩散联系在一起，是因为如果楼主想通过降低致密度来降低晶格热导率，其实质无非是通过降低密度引入空洞，空洞会引起对声子的散射，这是降低热导率，也就是降低热扩散；相对来说，比热、热导率才是材料的基本属性，热扩散只是衍生物，低温往往采用稳态法直接测热导率，这时无需测量三个密度、比热、热扩散三个量；高温时，热辐射损失严重，稳态法测热导率不准确，因此往往采用激光法测热扩散，再用DSC测比热，与密度相乘计算热导率。
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7楼2013-11-25 18:41:40
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fcg1282

铜虫 (小有名气)
如果只是针对热导率楼主的想法还是很可取的。我就密度、热扩散、比热三个方面一一回答：比热是材料最基本的属性，它跟材料的组成元素相关，根据杜隆柏替的理论，高温时不同元素携带的热量基本一致（3R），因此如果基体没有改变比热一般不太会有大的变化，如果改变了基体那么也就不是这种物质了，低的比热是低的热导率的重要因素之一，所以像传统的热电材料Bi2Te3 PbTe 都有较低的比热（组成元素为重原子），所以降低比热对于特定的材料是没有意义的；其次是密度和热扩散，这两个可以放在一起是因为，降低密度，归根到底是引入空洞，这些空洞在材料中会增强对声子的散射，从而降低热导率；但是热电材料设计电和热两个方面，不管是晶界散射还是合金散射，亦或是空洞降低热导都不可避免地会影响电子的迁移率，因此在采用引入某种散射降低声子热导时必须考虑这种散射是否会对电子迁移率造成大的影响，好的散射机制必须能最大化散射声子且最小化散射电子，这样才能最终的性能（zT）有帮助。
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4楼2013-11-24 16:24:11
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穿越千年

版主 (著名写手)

寂寞读书的小和尚

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【答案】应助回帖

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风行者mj: 金币+20, ★★★很有帮助 2013-11-24 13:44:54
首先可以肯定这是一个非常难的过程，就像电导率和Seebeck你不可能实现真正意义上的单独调控，只可能找到一个最合适的状态使得功率因子增大。由于电导率和Seebeck有在一定的前提下的简化表达式，为其对于载流子浓度以及态密度、有效质量的调控提供了一定的指导，但它们的关系依然是相互关联的。与此类似，热扩散系数、比热容和密度之间是否也是相互制约的，需要对他们的微观影响机制有深入的理解，这个问题在传热学领域应该会有更详细的介绍，要是楼主对热传导这一块感兴趣，可以和那边的同仁多多交流，也过来这边和大家分享一下收获。其实目前对热导率整体降低的机理都解释得不够透彻，一句简单的增强了声子散射就掩盖过去了，这些依靠纳米技术都能够达到一定的增强界面声子散射的效果，但是楼主所期望的分开调控这些物理量，将是一个调配原子间结合、成分的过程，实现起来会更难。
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热电材料，相变材料，阻变材料，APT，EBSD
2楼2013-11-24 10:02:02
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风行者mj

金虫 (小有名气)
引用回帖:
2楼: Originally posted by 穿越千年 at 2013-11-24 10:02:02
首先可以肯定这是一个非常难的过程，就像电导率和Seebeck你不可能实现真正意义上的单独调控，只可能找到一个最合适的状态使得功率因子增大。由于电导率和Seebeck有在一定的前提下的简化表达式，为其对于载流子浓度以 ...

正如你所言，如果分开调控比热容和热扩散系数应该会很大的困难。另外，主要是对这两个参数的微观机理了解不够清楚，我会再去找找相关的书籍研究一下，如果有什么其他心得再来和各位交流一下。
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struggletosuccess
3楼2013-11-24 13:48:52
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穿越千年

版主 (著名写手)

寂寞读书的小和尚

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引用回帖:
4楼: Originally posted by fcg1282 at 2013-11-24 16:24:11
如果只是针对热导率楼主的想法还是很可取的。我就密度、热扩散、比热三个方面一一回答：比热是材料最基本的属性，它跟材料的组成元素相关，根据杜隆柏替的理论，高温时不同元素携带的热量基本一致（3R），因此如果基 ...

密度和热扩散是怎么调制的？没有看到你一一回答的重点啊。
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热电材料，相变材料，阻变材料，APT，EBSD
5楼2013-11-24 18:56:11
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风行者mj

金虫 (小有名气)
引用回帖:
4楼: Originally posted by fcg1282 at 2013-11-24 16:24:11
如果只是针对热导率楼主的想法还是很可取的。我就密度、热扩散、比热三个方面一一回答：比热是材料最基本的属性，它跟材料的组成元素相关，根据杜隆柏替的理论，高温时不同元素携带的热量基本一致（3R），因此如果基 ...

你提到的关于比热的这个部分，和我最近看到的书籍上提到也比较一致，而且，我之前看的许多文献也表明，一般来说，掺杂以及纳米化等方法对于材料的比热影响似乎不大。此外，关于热扩散系数这点我还不太清楚，为什么可以将密度和热扩散系数放在一起，能否请你再详细的解释一下。
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struggletosuccess
6楼2013-11-24 20:03:33
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风行者mj

金虫 (小有名气)
引用回帖:
7楼: Originally posted by fcg1282 at 2013-11-25 18:41:40
一般热电材料的密度都很高，致密度基本上要做到95%以上，传统的PbTe和BiTe都在99%以上，是因为密度的降低对迁移率的损失大于对热导率的降低，所以好的热电材料密度都尽量做高；密度跟热扩散联系在一起，是因为如果 ...

谢谢你的回复，你所说的密度和热扩散系数对热导率的影响都很在理。这两天正好在看的书籍也提到了热导率的测量，确实热扩散系数的引入是由采用的非稳态方法测量热导率。我打算再找找其他的资料好好了解下热扩散系数和比热。
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struggletosuccess
8楼2013-11-25 21:58:59
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fcg1282

铜虫 (小有名气)
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8楼: Originally posted by 风行者mj at 2013-11-25 21:58:59
谢谢你的回复，你所说的密度和热扩散系数对热导率的影响都很在理。这两天正好在看的书籍也提到了热导率的测量，确实热扩散系数的引入是由采用的非稳态方法测量热导率。我打算再找找其他的资料好好了解下热扩散系数 ...

不客气，希望对你有帮助
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9楼2013-11-26 11:27:30
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jintao

新虫 (初入文坛)
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7楼: Originally posted by fcg1282 at 2013-11-25 18:41:40
一般热电材料的密度都很高，致密度基本上要做到95%以上，传统的PbTe和BiTe都在99%以上，是因为密度的降低对迁移率的损失大于对热导率的降低，所以好的热电材料密度都尽量做高；密度跟热扩散联系在一起，是因为如果 ...

你好，我想问一下传统的PbTe的比热应该有许多人都测过了，楼主可知道PbTe的比热？
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10楼2015-01-09 17:16:55
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