熱電材料塞貝克系數(shù)測試儀研制

李洪濤，郅惠博，吳益文，王 彪，徐 杰，陳 杰，吳子華，宿太超

（1.上海出入境檢驗(yàn)檢疫局，上海 200135；2.上海第二工業(yè)大學(xué)，上海 201209；3.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000）

熱電材料塞貝克系數(shù)測試儀研制

李洪濤1，郅惠博1，吳益文1，王 彪1，徐 杰1，陳 杰1，吳子華2，宿太超3

（1.上海出入境檢驗(yàn)檢疫局，上海 200135；2.上海第二工業(yè)大學(xué)，上海 201209；3.河南理工大學(xué)，河南 焦作 454000）

為避免熱電材料在高溫測試過程中被氧化，基于塞貝克效應(yīng)（Seebeck effect）設(shè)計(jì)一種在真空高溫環(huán)境下測試熱電材料Seebeck系數(shù)的新型裝置。裝置主要包括真空系統(tǒng)、樣品支架系統(tǒng)和控制總成3部分。該新型裝置成本低廉，易于操作，其應(yīng)用不但可以有效防止高溫環(huán)境中樣品測試的氧化現(xiàn)象，而且可以在高溫真空環(huán)境下準(zhǔn)確、快速地測量樣品的Seebeck系數(shù)。

熱電材料；塞貝克系數(shù)；裝置；真空；高溫；氧化

0 引言

熱電材料是一種基于塞貝克（Seebeck）效應(yīng)和帕爾貼（Peltier）效應(yīng)，通過固體材料內(nèi)部載流子輸運(yùn)實(shí)現(xiàn)熱能與電能相互轉(zhuǎn)換的新型功能材料[1-3]。以熱電材料為核心部件的熱電器件可以制作成溫差發(fā)電或溫差電制冷裝置，稱之為熱電裝置（thermoelectricdevices，TE裝置）。熱電裝置在熱電發(fā)電和溫差電制冷領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-10]。熱電材料品質(zhì)的優(yōu)劣取決于其熱電性能，Seebeck系數(shù)是評價(jià)熱電性能的重要指標(biāo)之一[1-3]。目前，市場化實(shí)際應(yīng)用的熱電材料大多為金屬合金化合物[1-10]。由于這些合金化合物在高溫環(huán)境中易氧化，直接導(dǎo)致材料的本征性能下降，從而造成了高溫環(huán)境下Seebeck系數(shù)測量的不準(zhǔn)確。因此，要準(zhǔn)確評價(jià)熱電材料的熱電性能必須選用高真空度的設(shè)備。目前，Seebeck系數(shù)的測試大多采用國外進(jìn)口的價(jià)格昂貴的商用機(jī)器[7-8]，其大多采用的是惰性氣體反復(fù)沖洗之后抽真空的方式防止材料的氧化，真空度一般在10Pa左右。這樣的真空度會

大大影響高溫環(huán)境下長時(shí)間Seebeck系數(shù)測試的準(zhǔn)確性。綜上所述，為防止高溫測試環(huán)境下熱電材料的氧化，本工作設(shè)計(jì)開發(fā)了一種高溫環(huán)境下測試Seebeck系數(shù)的裝置，其極限真空度在10-3Pa。該裝置成本低廉、易于操作，其應(yīng)用不但可以有效防止高溫測試過程中的樣品氧化現(xiàn)象，而且可以在高溫真空環(huán)境下準(zhǔn)確、快速地測量樣品的Seebeck系數(shù)。

1 基本原理

Seebeck效應(yīng)是指熱能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象，是熱電材料應(yīng)用的理論基礎(chǔ)，被稱為熱電第一效應(yīng)。Seebeck系數(shù)通常也稱為溫差電動勢率，根據(jù)Seebeck系數(shù)的定義[1-3]，其表達(dá)式為

式中：S——熱電材料的Seebeck系數(shù)；

ΔT——溫差；

Vsr——溫差ΔT下產(chǎn)生的Seebeck電勢差。

Seebeck系數(shù)的測量裝置如圖1所示。在實(shí)際測試中，通常在上下電極中的一端安裝加熱或制冷裝置，使熱電材料樣品兩端產(chǎn)生溫差，然后通過熱電偶測量得到溫差ΔT和電勢差Vsr。

圖1 塞貝克系數(shù)測試原理示意圖

2 總體結(jié)構(gòu)

由式（1）和圖1可知，要得到Seebeck系數(shù)需要測量材料兩端的溫差ΔT和電壓Vsr，因此研制開發(fā)高真空環(huán)境下的熱電材料Seebeck系數(shù)測試設(shè)備的工作主要是確保高真空條件下材料兩端溫度和電壓測試的準(zhǔn)確，本儀器結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。在高溫爐爐腔上方連接水冷電極，底部連接真空抽氣閥，真空抽氣閥經(jīng)管道與真空泵連接，高溫爐爐腔內(nèi)設(shè)置隔熱屏，隔熱屏內(nèi)設(shè)置加熱器，加熱器經(jīng)導(dǎo)線依次與真空電極、爐腔溫度控制系統(tǒng)和工控機(jī)連接，高溫爐爐腔一側(cè)連接放氣閥，另一側(cè)通過法蘭連接樣品桿，樣品桿懸伸進(jìn)高溫爐爐腔中央，測試樣品固定在桿一端，其底部設(shè)置有薄膜加熱器，其兩端各引出溫度和電勢差引線，經(jīng)高溫爐爐腔上方的真空電極引出，分兩路經(jīng)溫度與電勢差采集系統(tǒng)（掃描卡和納伏表）與工控機(jī)連接，薄膜加熱器經(jīng)薄膜加熱器的溫度控制系統(tǒng)與工控機(jī)連接?？傮w上這一測試裝置（見圖3）主要由真空系統(tǒng)、樣品支架系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3部分組成。

圖2 儀器結(jié)構(gòu)原理圖

2.1 真空系統(tǒng)

圖3 測試系統(tǒng)

真空系統(tǒng)包括真空高溫測試室和真空抽氣系統(tǒng)，見圖2（a）。真空系統(tǒng)的主要部件包括：水冷銅電極（用于給加熱器供電）、真空電極（18芯電極）、加熱器（筒狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)部空間尺寸φ100 mm×200mm）、隔熱屏（5～6層）、真空計(jì)（用于測量爐內(nèi)真空度，可測量壓力從10-3Pa到大氣壓）、鉑銠熱電偶（極限溫度1000℃）、真空泵、放氣閥、抽氣閥。此外，真空高溫測試室前開門，內(nèi)部為臥式雙層水冷筒狀結(jié)構(gòu)（約φ400 mm×500 mm），其材質(zhì)為304不銹鋼，外表面噴細(xì)砂為亞光效果，內(nèi)表面嚴(yán)格拋光。真空抽氣系統(tǒng)主要包括TRP24雙級旋片泵一臺，其極限真空度可達(dá)10-3Pa。測試室測試極限溫度為1000℃，可按照預(yù)設(shè)定的升溫或降溫曲線控溫，準(zhǔn)確度為±1℃。

2.2 樣品支架系統(tǒng)

樣品支架系統(tǒng)見圖2（b）。樣品桿從爐腔后側(cè)法蘭安裝并穿過隔熱屏懸伸于加熱區(qū)中心。樣品桿的前端掏空，用于放置小型薄膜加熱器以及測試樣品，樣品通過鉬螺絲固定。測量所用的熱電偶等用高溫膠粘貼在樣品的兩端，懸空在真空高溫測試室中，另一端由真空電極（18芯電極）引出。樣品桿采用熱導(dǎo)率大的陶瓷（AlN或Al2O3）加工而成，可以使樣品快速加熱且其溫度場達(dá)到平衡狀態(tài)，減小測量誤差。小型薄膜加熱器可通入電流加熱樣品使樣品兩端產(chǎn)生不同的溫差。薄膜加熱器的規(guī)格為：電壓5V，功率5W，面積20mm×20mm。

2.3 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是由工控機(jī)（DELL-640-M）、GP-IB 488卡（PCI-GPIB，NI-488.2M）、I/O卡（PCI-6514）、RS232-RS485信號轉(zhuǎn)換器（I-7520）以及軟件系統(tǒng)組成。GP-IB 488卡用于樣品兩端溫度和電勢差的采集，I/O卡和RS232-RS485信號轉(zhuǎn)換器用于控制溫度。溫度控制系統(tǒng)首先在計(jì)算機(jī)的控制下，將溫度控制在設(shè)定的溫度點(diǎn)；然后，計(jì)算機(jī)通過GP-IB 488卡（PCI-GPIB，NI-488.2M）采集熱電偶的數(shù)值來得到樣品兩端的溫差；同時(shí)，測量兩根鉑銠熱電偶（Pt/Rh）線的電勢差；接下來，通過改變樣品兩端的溫度從而獲得幾組不同的溫差和電勢差的值；最后，通過擬合溫差-電勢差曲線計(jì)算熱電材料的塞貝克系數(shù)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與討論

采用本裝置對康銅標(biāo)樣（constantan）進(jìn)行Seebeck系數(shù)的測試，具體過程如下：首先設(shè)置好塞貝克系數(shù)測量的溫度區(qū)間（50～800℃，每50℃測量一個(gè)點(diǎn)）和爐腔的升溫速率（10K/min）；然后將樣品用鉬螺絲固定在高溫爐中央，關(guān)閉好爐門抽真空，抽至5×10-3Pa；最后在測試過程中的既定溫度點(diǎn)通過給樣品加熱使樣品兩端產(chǎn)生溫差和電勢差，根據(jù)式（1）計(jì)算對應(yīng)的Seebeck系數(shù)。從圖4可以看出，本儀器對康銅標(biāo)樣進(jìn)行Seebeck系數(shù)測試得到的結(jié)果與標(biāo)樣給定的標(biāo)稱值吻合得很好，特別是在高溫區(qū)域。綜上所述，本新型裝置與現(xiàn)有裝置相比具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：（1）與國外進(jìn)口設(shè)備相比，該裝置成本低廉，易于操作。（2）測量在高真空環(huán)境下進(jìn)行，有效遏制了高溫下測試過程中樣品的氧化問題。（3）采用樣品通過樣品桿懸空在爐腔中央的設(shè)計(jì)，測試對樣品的強(qiáng)度、硬度和尺寸等無苛刻要求，大大拓寬了測量系統(tǒng)的測量范圍。國外商用機(jī)器多采用杠桿將熱電偶緊貼在垂直放置的樣品側(cè)面的方式測量不同溫差下的塞貝克系數(shù)，樣品氧化揮發(fā)時(shí)常常沾附在熱電偶的頂端造成熱電偶的污染，導(dǎo)致測量精度降低。由于熱電偶的頂

圖4 康銅標(biāo)樣的Seebeck系數(shù)測試結(jié)果

端特別脆弱，清洗時(shí)稍微用力就有可能造成熱電偶頂端斷裂，給測量帶來不便。（4）樣品桿采用熱導(dǎo)率大的陶瓷，可以使樣品快速加熱且其溫度場達(dá)到平衡狀態(tài)，減小測量誤差。（5）采用了掃描卡和納伏儀表采集數(shù)據(jù)，其溫度分辨率可以達(dá)到約0.05K，大大提高了測量精度。

4 結(jié)束語

本文提出了一種適合真空高溫環(huán)境下熱電材料Seekbeck系數(shù)測試的新型裝置。該裝置成本低廉，易于操作，其應(yīng)用不但可以有效防止高溫測試環(huán)境下的樣品氧化，而且可以準(zhǔn)確、快速地測量樣品的Seebeck系數(shù)。本設(shè)計(jì)對于熱電材料科研工作者和相關(guān)熱電材料生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行熱電測試設(shè)備的開發(fā)具有積極的意義。

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Development of device for measuring thermoelectric materials’Seebeck coefficient

LI Hong-tao1，ZHI Hui-bo1，WU Yi-wen1，WANG Biao1，XU Jie1，CHEN Jie1，WU Zi-hua2，SU Tai-chao3
（1.Shanghai Entry-Exit Inspection&Quarantine Bureau，Shanghai 200135，China；2.Shanghai Second Polytechnic University，Shanghai 201209，China；3.Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China）

In order to inhibit the oxidation of thermoelectric materials during the test at high temperature，a new device isdesigned forthe measurementof Seebeck coefficienton the conditions of vacuum and high temperature based on the Seebeck effect.This device mainly includes vacuum system，sample support and integrated control system.The device is low cost and convenient to operate.Using this new device，the oxidation of thermoelectric materials during the high temperature testcan be effectively avoided，and the Seebeck coefficientcan be measured accurately and quickly.

thermoelectric material；Seebeck coefficient；device；vacuum;high temperature；oxidation

TB34；TB942；TM930.12；TP274

：A

：1674-5124（2014）01-0066-03

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.01.018

2013-08-23；

：2013-10-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51001042）國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局科技計(jì)劃項(xiàng)目（2012IK049）

李洪濤（1980-），男，博士，主要從事進(jìn)出口工業(yè)品與原材料品質(zhì)檢測的研究。