專利名稱：小型熱電材料樣品熱傳導(dǎo)性能測試儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種小型熱電材料樣品熱傳導(dǎo)性能測試儀，屬于半導(dǎo)體熱電材料 測試領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
利用溫差熱效應(yīng)發(fā)電是一種新型節(jié)能環(huán)保技術(shù)，它是一種將熱電材料的溫差資源 直接轉(zhuǎn)化成電能的能量轉(zhuǎn)化方式。與目前使用傳統(tǒng)方式獲取電能的方式相比，溫差熱效應(yīng) 發(fā)電不需要工作介質(zhì)，能夠直接、靜態(tài)的運行，因無活動部件，它具有環(huán)保無噪音和高度的 可靠性，許多低溫和高溫下工作的設(shè)備，如鍋爐、汽車發(fā)動機和液化天然氣儲運罐等都可以 作為其溫差的提供者，來實現(xiàn)發(fā)電。這種發(fā)電方式既可以單獨使用，也可以作為成熟工藝設(shè) 備的輔助節(jié)能手段，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊?，F(xiàn)有熱電材料的轉(zhuǎn)換效率偏低，熱電理論的研究表明，熱電材料的轉(zhuǎn)換效率與電 導(dǎo)率和Seebeck系數(shù)成正比，與熱導(dǎo)率成反比。由于載流子熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和Seebeck系數(shù) 這三個物理量具有內(nèi)在的關(guān)聯(lián)，因此不能通過單獨改變其中的一項來提高熱電材料的轉(zhuǎn)換 效率，這成為限制熱電材料應(yīng)用的主要瓶頸。近年來熱電材料的主要研究方向是降低材料 的晶格熱導(dǎo)率，由此，熱電材料熱導(dǎo)率的影響因素和實際測試成為被關(guān)注的問題。熱導(dǎo)率的影響因素?zé)醾鲗?dǎo)是熱能在固體內(nèi)的輸運過程，從宏觀上講， 熱能的輸運是指熱量在溫度梯度下從高溫端向低溫端的流動。對處于本征態(tài) 的半導(dǎo)體材料，載流子的雙極子擴散會對熱能的輸運過程起作用，它的熱導(dǎo)率
κ由載流子熱導(dǎo)率《 、晶格熱導(dǎo)率％以及雙極子擴散引起的熱導(dǎo)率Iri組成，即=e + Kl +辦；對處于非本征激發(fā)區(qū)的半導(dǎo)體材料，它的熱導(dǎo)率Κ僅需考慮載流子熱導(dǎo)率JTe 和晶格熱導(dǎo)率K；,即 熱導(dǎo)率的測試由于熱絕緣難以實現(xiàn)，這導(dǎo)致材料熱導(dǎo)率的測量較為困難，熱電材 料的熱傳輸不像材料的電傳輸那樣可以被限制在導(dǎo)體內(nèi)，它會通過輻射、對流等方式與周 圍環(huán)境發(fā)生熱交換。對其熱導(dǎo)率的測試需要盡可能減少除被測物體內(nèi)部途徑之外的一切熱 傳輸，并且，對不可避免的那部分熱傳輸要進行較為精確的估計。在實際工程中和科學(xué)研究 中采用的不同的方法進行熱導(dǎo)率的測試。在實際工程中熱導(dǎo)率的測試根據(jù)傳熱過程的宏觀 機理分為穩(wěn)態(tài)法和非穩(wěn)態(tài)法。穩(wěn)態(tài)法測試所需的時間較長，而非穩(wěn)態(tài)法測試對數(shù)據(jù)的采集 和處理過程較為繁瑣；并且這兩種測試方法具有共同的缺點，其所需要的待測材料的體積 都非常大，無法實現(xiàn)對小型樣品的測試，而且精度低，無法滿足科學(xué)研究的需要?？茖W(xué)研究中熱導(dǎo)率的測試通常采用下式來計算k = ACpPc，式中Jt為材料的熱導(dǎo)率；；I為熱擴散系數(shù)； 為比熱；Pr為試樣的實際密度。其中，熱擴散系數(shù)Λ的測試采用激光脈沖技術(shù)在流動的氬氣中測定；比熱 采 用差示掃描量熱法DSC測量，也可在激光閃射法儀器中與熱擴散系數(shù)同時測量得到；密度 Pc使用阿基米德排水法測得。這種方法測得的材料熱導(dǎo)率才被學(xué)術(shù)期刊承認(rèn)。其測試步 驟極其繁瑣，費用和耗時都非常高，極大的增加了熱電材料研究的難度。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型是為了解決實際工程中對小型熱電材料樣品進行熱導(dǎo)率的測試比較 因難的問題，提供一種小型熱電材料樣品熱傳導(dǎo)性能測試儀。本實用新型由石英管、真空橡膠密封圈、傳熱橡膠密封圈、抽真空法蘭、傳熱法蘭、 絕熱樣品架、紫銅傳熱柱、熱電偶、單片機和調(diào)溫裝置組成，石英管的一端由真空橡膠密封圈密封，真空橡膠密封圈的外表面上設(shè)置抽真空法 蘭；石英管的另一端由傳熱橡膠密封圈密封，傳熱橡膠密封圈的外表面上設(shè)置傳熱法蘭，傳 熱橡膠密封圈的內(nèi)表面與石英管內(nèi)的絕熱樣品架固定連接，紫銅傳熱柱的一端穿過傳熱法 蘭和傳熱橡膠密封圈與絕熱樣品架固定連接，紫銅傳熱柱的另一端插入調(diào)溫裝置中；熱電偶用于測量待測樣品的溫度，熱電偶具有兩個探測端，分別為高溫探測端和 低溫探測端，熱電偶的輸出端與單片機的輸入端連接。本實用新型的優(yōu)點是本實用新型通過采集熱電材料待測樣品熱傳導(dǎo)過程中溫度 變化的數(shù)據(jù)，與已知熱導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)試樣在熱傳導(dǎo)過程中溫度變化的數(shù)據(jù)相比較，實現(xiàn)對小 型熱電材料樣品的初步篩選，由于已知試樣兩端保持溫差的能力大小與其熱導(dǎo)率成反比， 可以確定試樣兩端最終溫差比較大的，熱導(dǎo)率偏低。在此比較的基礎(chǔ)上，選出與標(biāo)準(zhǔn)試樣相 比熱導(dǎo)率相對下降的熱電材料待測樣品，再對其使用激光脈沖技術(shù)進行精確的測定，可以 較快且方便的判斷對熱電材料改性實驗的效果，有效減少研究費用并降低耗時。

圖1是采用液氨冷卻套作為調(diào)溫裝置的本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是采用電 阻絲加熱套作為調(diào)溫裝置的本實用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為實施方式一中待測樣品與標(biāo) 準(zhǔn)試樣的溫差數(shù)據(jù)曲線圖。
具體實施方式
具體實施方式
一下面結(jié)合圖1和圖3說明本實施方式，本實施方式由石英管1、 真空橡膠密封圈2、傳熱橡膠密封圈3、抽真空法蘭4、傳熱法蘭5、絕熱樣品架6、紫銅傳熱柱 7、熱電偶8、單片機9和調(diào)溫裝置10組成，石英管1的一端由真空橡膠密封圈2密封，真空橡膠密封圈2的外表面上設(shè)置抽 真空法蘭4 ；石英管1的另一端由傳熱橡膠密封圈3密封，傳熱橡膠密封圈3的外表面上設(shè) 置傳熱法蘭5，傳熱橡膠密封圈3的內(nèi)表面與石英管1內(nèi)的絕熱樣品架6固定連接，紫銅傳 熱柱7的一端穿過傳熱法蘭5和傳熱橡膠密封圈3與絕熱樣品架6固定連接，紫銅傳熱柱 7的另一端插入調(diào)溫裝置10中；熱電偶8用于測量待測樣品的溫度，熱電偶8具有兩個探測端，分別為高溫探測端 8-1和低溫探測端8-2，熱電偶8的輸出端與單片機9的輸入端連接。所述調(diào)溫裝置10為液氨冷卻套。本實施方式中抽真空法蘭4上具有真空閥門4-1。工作原理真空環(huán)境可以有效的降低熱電材料的散熱，并且在低溫條件下，其熱輻 射可以忽略不計。本實用新型采用比較法，可以保證實驗誤差較低。一般對熱電材料的摻 雜改性或?qū)犭姴牧线M行納米技術(shù)的應(yīng)用，對其密度和比熱的改變不大，可以忽略。由此， 根據(jù)試樣兩端保持溫差能力的大小與其熱導(dǎo)率成反比，可以相對的反映出材料熱導(dǎo)率的變 化。通過比較相同溫度變化條件下，待測樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品的溫差大小，可以比較出二者的熱 導(dǎo)率的相對大小。工作過程首先將待測樣品插入絕熱樣品架6，依靠待測樣品的自身重量保證與 紫銅傳熱柱7有良好的接觸，將熱電偶8的高溫探測端8-1和低溫探測端8-2在待測樣品 表面固定好，高溫探測端8-1在與紫銅傳熱柱7相鄰的近端，低溫探測端8-2位于與紫銅傳 熱柱7相鄰的遠端，高溫探測端8-1和低溫探測端8-2之間的距離在整個測試過程中必須 保持相同。打開真空法蘭4上的真空閥門4-1，用真空泵將石英管1內(nèi)的空氣抽空，后將真空 閥門4-1關(guān)閉。將紫銅傳熱柱7插入液氨冷卻套，然后單片機9開始采集熱電偶8的兩個探測端 測得的溫度數(shù)據(jù)，直到待測樣品兩端的溫度十分接近不再變化為止。然后，在保持室溫恒定的條件下，將紫銅傳熱柱7從液氨冷卻套中拔出，使紫銅傳 熱柱7處于室溫的環(huán)境下，開始升溫，再通過熱電偶8的兩個探測端測量待測樣品的溫度數(shù) 據(jù)，直到待測樣品兩端溫差達到最大為止。將采集的數(shù)據(jù)與已知熱導(dǎo)率的標(biāo)準(zhǔn)試樣的溫度數(shù)據(jù)繪圖，如圖3所示，曲線Tla表 示標(biāo)準(zhǔn)試樣的高溫端溫度變化，曲線T2a表示標(biāo)準(zhǔn)試樣的低溫端溫度變化；曲線Tlb表示待 測樣品的高溫端溫度變化，曲線T2b表示待測樣品的低溫端溫度變化，可以看出，曲線Tla和 曲線Tlb基本重合，曲線T2b與曲線Tlb之間的溫差大于曲線T2a與曲線Tla之間的溫差，由此 得出，待測樣品兩端的溫差比較大，它的熱導(dǎo)率低于標(biāo)準(zhǔn)試樣的熱導(dǎo)率。
具體實施方式
二 下面結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式由石英管1、真空橡 膠密封圈2、傳熱橡膠密封圈3、抽真空法蘭4、傳熱法蘭5、絕熱樣品架6、紫銅傳熱柱7、熱 電偶8、單片機9和調(diào)溫裝置10組成，[0033]石英管1的一端由真空橡膠密封圈2密封，真空橡膠密封圈2的外表面上設(shè)置抽 真空法蘭4 ；石英管1的另一端由傳熱橡膠密封圈3密封，傳熱橡膠密封圈3的外表面上設(shè) 置傳熱法蘭5，傳熱橡膠密封圈3的內(nèi)表面與石英管1內(nèi)的絕熱樣品架6固定連接，紫銅傳 熱柱7的一端穿過傳熱法蘭5和傳熱橡膠密封圈3與絕熱樣品架6固定連接，紫銅傳熱柱 7的另一端插入調(diào)溫裝置10中；熱電偶8用于測量待測樣品的溫度，熱電偶8具有兩個探測端，分別為高溫探測端 8-1和低溫探測端8-2，熱電偶8的輸出端與單片機9的輸入端連接。所述調(diào)溫裝置10為電阻絲加熱套。本實施方式與實施方式一的區(qū)別僅在于用電阻絲加熱套取代了實施方式一中的 液氨冷卻套，其實施原理與實施方式一相同。本實施方式通過比較法對制備的熱電材料的小型樣品進行初步篩選，然后選取其 中熱導(dǎo)率與標(biāo)準(zhǔn)試樣相比下降的樣品再使用激光脈沖技術(shù)等精確的方法進行測定。例如， 對熱電合金B(yǎng)i2Te3進行摻雜改性，制備三元合金LaxBi2^Te3 (x=0, 0. 1，0. 2，0. 3，0. 4,0. 5) 系列材料。使用本裝置對其樣品進行測試，并以相同工藝條件制備的Bi2Te3S準(zhǔn)試樣(標(biāo)準(zhǔn) 試樣與待測樣品規(guī)格一致，以保證數(shù)據(jù)測試條件的一致性)為參照，測試LaxBi2_xTe3 (x=0, 0.1，0.2，0.3，0.4，0.5)系列材料相對于純Bi2Te3的熱導(dǎo)性能的相對變化；在此基礎(chǔ) 上，選擇熱導(dǎo)率相對純Bi2Te3有明顯降低的待測樣品再進行精確測定，可以減少研究費用 和耗時。
權(quán)利要求一種小型熱電材料樣品熱傳導(dǎo)性能測試儀，其特征在于它由石英管(1)、真空橡膠密封圈(2)、傳熱橡膠密封圈(3)、抽真空法蘭(4)、傳熱法蘭(5)、絕熱樣品架(6)、紫銅傳熱柱(7)、熱電偶(8)、單片機(9)和調(diào)溫裝置(10)組成， 石英管(1)的一端由真空橡膠密封圈(2)密封，真空橡膠密封圈(2)的外表面上設(shè)置抽真空法蘭(4)；石英管(1)的另一端由傳熱橡膠密封圈(3)密封，傳熱橡膠密封圈(3)的外表面上設(shè)置傳熱法蘭(5)，傳熱橡膠密封圈(3)的內(nèi)表面與石英管(1)內(nèi)的絕熱樣品架(6)固定連接，紫銅傳熱柱(7)的一端穿過傳熱法蘭(5)和傳熱橡膠密封圈(3)與絕熱樣品架(6)固定連接，紫銅傳熱柱(7)的另一端插入調(diào)溫裝置(10)中；熱電偶(8)用于測量待測樣品的溫度，熱電偶(8)具有兩個探測端，分別為高溫探測端(8 1)和低溫探測端(8 2)，熱電偶(8)的輸出端與單片機(9)的輸入端連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型熱電材料樣品熱傳導(dǎo)性能測試儀，其特征在于所述調(diào) 溫裝置(10)為液氨冷卻套。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型熱電材料樣品熱傳導(dǎo)性能測試儀，其特征在于所述調(diào) 溫裝置(10)為電阻絲加熱套。
專利摘要小型熱電材料樣品熱傳導(dǎo)性能測試儀，屬于半導(dǎo)體熱電材料測試領(lǐng)域。它解決了實際工程中對小型熱電材料樣品進行熱導(dǎo)率的測試比較因難的問題。它的石英管的一端由真空橡膠密封圈密封，真空橡膠密封圈的外表面上設(shè)置抽真空法蘭；石英管的另一端由傳熱橡膠密封圈密封，傳熱橡膠密封圈的外表面上設(shè)置傳熱法蘭，傳熱橡膠密封圈的內(nèi)表面與石英管內(nèi)的絕熱樣品架固定連接，紫銅傳熱柱的一端穿過傳熱法蘭和傳熱橡膠密封圈與絕熱樣品架固定連接，紫銅傳熱柱的另一端插入調(diào)溫裝置中；熱電偶用于測量待測樣品的溫度，熱電偶具有兩個探測端，分別為高溫探測端和低溫探測端，熱電偶的輸出端與單片機的輸入端連接。本實用新型適用于小型熱電材料的性能測試。
文檔編號G01N25/20GK201666887SQ20102029756
公開日2010年12月8日 申請日期2010年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月19日
發(fā)明者周楠, 徐英操, 沈玥 申請人:東北農(nóng)業(yè)大學(xué)