太空探测

20世纪40年代，前苏联最早研制开发了温差发电机，当时的热电转换效率达到5％。此后，前苏联和美国对温差发电技术进行了大量的研究和改进，在外太空深层探索领域的应用尤为成功。例如，美国宇航局1977年发射的Voyager l探测器目前仍正常工作，即将穿越太阳系。Voyager l探测器是迄今为止距离地球最远的人造飞行器，其探测器的动力由热电材料制成的放射性同位素温差发电装置（Radioisotope Thermoelectric generator，RTG）提供。需要特别指出的是，对于遥远的空间探测器来说，放射性同位素供热的温差发电器系统是目前唯一持续的供电系统，主要原因在于远离太阳的空间里，太阳的辐射量极小，太阳能电池很难持久发挥作用。

汽车尾气发电

科学研究发现汽车消耗的汽油仅有25％用于车体动力驱动，另有一半则通过车身和排气管散失。1995年开始，美国能源部委托海塞公司启动演示型载重汽车废热温差发电器开发计划。2004年，美国能源部启动了运载工具温差发电能量回收工程，该工程集中了通用汽车等近20个研究团队，旨在开发实用、有效的温差发电系统，将汽车发动机的废热转换成电能以改善燃料的经济性。计划的最终目标是开发温差发电技术，建立一种能量回收系统，减少能量消耗和二氧化碳排放，并在标准车辆上实现工业化。日本古河机械金属公司研究人员将热电相关组件放置于车辆发动机或排气装置附近，即可将受热值的约7％转为电能进行循环再利用，这可节省2％的燃料费用。宝马530ｉ装备了温差发电装置，它利用尾气余热进行发电，提高了燃油的利用率。2010年，宝马公司开发装配了300Ｗ 级热电发电机的ＢＭＷ５系汽车，汽车油耗下降３～５％。2008年10月，德国柏林举办了“温差电技术－汽车工业的机遇”会议。会上展示了一辆安装温差发电器的大众牌家用轿车，该温差发电器可在高速公路行驶条件下为汽车提供600Ｗ 电功率，满足其30％用电需要，减少燃料消耗5％以上。

热电材料制备工艺与方法

定向凝固法

早期生产研究的单晶Bi2Te材料,一般采用布里奇曼法和直拉法制备得到，通过调控材料生长的冷却速率等相关参数来制备得到高质量的Bi2Te3单晶材料.这种单晶生长方法耗能相对较大,且制备得到的单晶材料由于Bi2Te3材料本身具有的晶体结构特性而造成材料的机械性能较差,不利于进行进一步的生产加工,在后期的器件制造过程中造成浪费且影响整体器件的服役寿命,造成极高的废品率”现在广泛用于工业生产的主要是Bi2Te3的改良型区熔技术或者称为定向凝固技术，选用二元合金成分或者三元合金成分配比,将通过前期在真空石英管中熔炼得到的铸体放置入区熔炉的管腔内,调节好炉体温度,并开始定向移动,利用热力学的固液平衡过程,最后得到具有取向生长的多晶“碲化铋晶体”这种方法得到的材料由于是多晶材料,相对机械性能比单晶优异,且更适用于进行掺杂调控载流子浓度,能够实现杂质的均匀分布,得到材料的性能也相对比较稳定。

粉末冶金法

由于单晶和取向多晶材料存在的机械性能较差,难以进行精细加工,造成在后期的器件制备过程中废品率增多,浪费严重,且一定程度上影响了器件服役寿命。因此,上世纪八十年代开始,关于Bi2Te3基合金的研究主要集中于粉末冶金法制备多晶块粉体材料。前期的制备方法主要集中于利用高能球磨/熔炼得到合金材料,研磨粉碎后再进行冷压/热压烧结。通过传统的粉末冶金工艺,可以增强材料的机械性能,从而有效避免了区熔材料易解离的缺点。然而,研究结果表明,尽管材料的机械性能有所增强,然而从热电性能上考虑,制备得到的多晶烧结材料往往不尽如人意。

新型纳米工艺

随着纳米技术的兴起,纳米形态和基于纳米态的相关理论越来越受到重视。通过在块体材料中引入纳米结构,作为一个热电材料研究的新方向,使得低维纳米化和块体材料有机的结合起来。在Bi2Te3体系的研究中,主要表现为利用不同工艺制备得到Bi2Te3纳米体材料,通过各种不同烧结工艺制备得到最终的块体材料。这其中的粉体制备工艺主要包括溶剂热法。快速凝固法。高能球磨法等等,而烧结工艺主要包括热压烧结以及新型的放电等离子烧结等等。为了更加完整的在烧结块体材料中保留尽可能小的晶粒尺寸,放电等离子烧结技术(Spark Plasma Sinter ：SPS)被引入到热电材料的制备过程中。相较于传统热压烧结方法，SPS利用在样品上施加高密度电流和压力,从而使得样品在更低的温度和更短的时间内致密化”这就减少了颗粒在烧结过程中长大的可能性和长大的程度,也可以将粉末在生长。机械合金化以及粉碎过程中所得到的各种有利缺陷加以保留。同时,随着电流在样品内部的流通,也可以引起材料内部原子层面上的扩散和结构重排。

新型热挤压工艺

合金材料在进行热塑性变形加工时,其内部结构必然会发生一定的变化。位错的运动,以及伴随产生的晶体内部晶格扭曲和缺陷增加”同时,随着位错密度的不断增加,当变形温度高于0.5Tm时,晶体内部的动态回复起到了明显的作用,不仅降低材料的加工硬化效应,同时改变位错的分布和结构。位错不再是金属晶体内均匀分布,而是形成封闭的胞壁”随着温度的升高,胞壁变得锋锐,并开始转变为小角晶界,进而形成亚晶结构,发生动态再结晶,细化晶粒。同时,在动态再结晶过程中各晶粒的取向也会发生十分复杂的变化,存在一定可能形成动态再结晶织构,伴随着塑性变形引入的变形织构,很有可能在材料内部产生一定的织构取向”由于热塑性变形可能存在的晶粒细化和织构强化作用,以及伴随产生的机械强化,高致密度等优点。近年来,围绕这一方向优化Bi2Te3的热电和机械性能的研究也较多。

文章来源：热管理网返回搜狐，查看更多