热电材料性能参数测量装置及测量方法与流程
本发明涉及热电材料测量技术领域，尤其涉及一种热电材料性能参数测量装置以及基于该热电材料性能参数测量装置的热电材料性能参数测量方法。
背景技术：
表征热电材料性能优劣的关键参数叫热电优值系数zt，它由公式zt＝s2σt/κ所定义，其中κ、s、σ和t分别代表热导率、热电势、电导率和绝对温度。因此，热导率、热电势和电导率是热电材料性能测量中的三个主要测量目标。
在热电材料研发过程中，通常需要对大量候选材料进行测量、筛选。为了保证zt值测量结果的一致性和可靠性，同时提高测量效率，原则上希望测量装置能够同时或者一次性地获得热导率、热电势和电导率这三个参数，现有的能够同时测量上述三种参数的装置(如quantumdesign公司的综合物性测量系统(ppms)中的传热模块)一般根据傅里叶导热定律，采用稳态法测量热导率。
由于样品本身以及测量附件本身的热辐射损失，该方法的热导率测量误差会随着测量温度的上升而增加，特别是测量温度在室温以上时，误差更加严重。因此，上述装置不适用于测量中高温区间(>300k)的热导率。而为了测量这一温区的热导率，人们在很多情况下采用一种间接的方法，即分别测量样品的热扩散率d、比热容cp和密度d，然后根据公式κ＝cp·d·d得到热导率。此时如果希望进一步获取中高温区间的热电势和电导率，通常需要另外单独制样并换用相应的测量装置，这样不仅影响测量效率，也可能因为所用样品的不一致而影响zt值测量结果的一致性和可靠性。
技术实现要素：
本发明的一个目的在于提出一种提高测量效率和测量结果一致性的、并满足低温区和中高温区测量需求的热电材料性能参数测量装置。
本发明的另一个目的在于提出一种在同一样品上测量热扩散率、热电势和电导率等三个参数的、具有较高测量效率和测量结果一致性的热电材料性能参数测量方法。
为达此目的，一方面，本发明采用以下技术方案：
一种热电材料性能参数测量装置，包括用于安装待测量样品的样品座，所述样品座置于真空腔中；所述样品座上设置有支撑块和压条，所述待测量样品的一端被夹在所述支撑块和所述压条之间、另一端上安装有用于为其加热的样品加热器，所述样品加热器对所述待测量样品加热；还包括分别与所述待测量样品接触的高温端热电偶和低温端热电偶，所述高温端热电偶的输出端连接至高温端热电偶表头，所述低温端热电偶的输出端连接至低温端热电偶表头；当测量热电势和热扩散率时，所述高温端热电偶和所述低温端热电偶的相同类型导线连接至所述热电电压测量仪表，形成第一种连线方式；还包括电流源和电压表，当测量电导率时，所述电流源的输入端和输出端分别连接至所述待测量样品的两端，所述高温端热电偶和所述低温端热电偶的相同类型导线切换连接至所述电压表，形成第二种连线方式；还包括测量控制和数据采集系统，所述测量控制和数据采集系统通过信号线连接至所述高温端热电偶表头、所述低温端热电偶表头、所述热电电压测量仪表、所述电流源和所述电压表。
特别是，在所述待测量样品的两端分别固定安装有样品电极，其中一端的所述样品电极被夹在所述支撑块和所述压条之间，另一端的所述样品电极上安装有样品加热器。
特别是，所述热电材料性能参数测量装置还包括热辐射屏蔽罩，所述热辐射屏蔽罩罩在所述样品座的外侧且位于所述真空腔内；所述热辐射屏蔽罩上开有通孔，所述通孔将所述热辐射屏蔽罩的内部与所述真空腔连通。
特别是，所述热辐射屏蔽罩上设置有热辐射屏蔽罩加热器和热辐射屏蔽罩温度计，所述热辐射屏蔽罩和所述样品座的温度与所述待测量样品的平均温度相同或相差设定值。
特别是，所述热电材料性能参数测量装置还包括控温仪，所述控温仪通过信号线连接至所述测量控制和数据采集系统；所述控温仪用于设定并监控所述样品座和所述热辐射屏蔽罩的温度。
特别是，所述热电材料性能参数测量装置还包括交流电流源，所述交流电源通过信号线连接至所述测量控制和数据采集系统；所述交流电源用于向所述样品加热器输出频率为f的交流电流，从而在所述待测量样品上安装的样品加热器的一端产生频率为2f的交流加热功率。
特别是，所述样品座包括基座，所述基座上设置有导热绝缘垫片，所述支撑块设置在所述导热绝缘垫片上；所述样品座还包括样品座加热器和样品座温度计。
特别是，所述热电材料性能参数测量装置还包括由低热导率材料制成的热绝缘支撑块，所述热绝缘支撑块支撑在所述待测量样品的自由端的下方。
另一方面，本发明采用以下技术方案：
一种基于上述热电材料性能参数测量装置的热电材料性能参数测量方法，为测量热扩散率和热电势，采用第一种连线方式,开启交流电源，测量并记录所述待测量样品两端的温度波动信号的幅度和相位，利用
特别是，所述热电材料性能参数测量方法包括下述步骤：
步骤1、在所述待测量样品的一端安装样品加热器；将所述高温端热电偶和所述低温端热电偶分别安装在所述待测量样品上靠近两端的位置处；将所述待测量样品的另一端夹在所述支撑块和所述压条之间；
步骤2、将热辐射屏蔽罩罩设在样品座的外侧；
步骤3、将套有所述热辐射屏蔽罩的所述样品座置于真空腔中，抽真空至设定真空度；
步骤4、将所述样品座加热至基准温度并保持该温度值恒定；
步骤5、采用第一种连线方式，控制交流电源向所述样品加热器通入频率为f的交流电流；检测所述待测量样品两端温度的波动,计算所述待测量样品的平均温度值；调整热辐射屏蔽罩和样品座的温度使其与所述待测量样品的平均温度相同或相差设定值；
步骤6、当判定所述待测量样品两端的温度波动达到稳态时，记录所述待测量样品两端的温度波动信号、温差波动信号以及热电电压波动信号；
步骤7、根据所述待测量样品两端的温度波动信号的幅度和相位、利用
步骤8、根据温差波动信号以及热电电压波动信号的幅度和相位计算得到所述待测量样品的热电势；
步骤9、关闭交流电源，切换至第二种连线方式，利用电流源向测量样品中通入电流，使用电压表记录高温端热电偶和低温端热电偶之间的电压数据，得到所述待测量样品的电阻，并结合样品的尺寸信息进一步计算得到所述待测量样品的电导率；
步骤10、改变所述样品座的基准温度；转至步骤5，进行下一个温度点的热扩散率、热电势和电导率的参数测量。
特别是，在测量计算得到热扩散率后，结合单独测量得到的所述待测量样品的比热容和密度计算得到热导率。
本发明热电材料性能参数测量装置包括样品加热器、高温端热电偶、低温端热电偶、高温端热电偶表头、低温端热电偶表头、热电电压测量仪表、电流源、电压表、以及测量控制和数据采集系统，能在不更换、不移动待测量样品的情况下一次性测量计算得到热电材料的热扩散率、热电势和电导率，测量效率高，测量结果的一致性好；适用温区范围广，尤其适用于长条状或棒状样品的测量。
本发明热电材料性能参数测量方法是基于上述热电材料性能参数测量装置实现的，根据待测量样品两端的温度波动信号计算出待测量样品的热扩散率，根据温差波动信号以及热电电压波动信号计算得到待测量样品的表观热电势，根据四线法得到待测量样品的电导率，测量方便、快捷。
附图说明
图1是本发明优选实施例提供的热电材料性能参数测量装置的原理示意图之一；
图2是本发明优选实施例提供的热电材料性能参数测量装置的原理示意图之二；
图3是本发明优选实施例提供的热电材料性能参数测量装置的结构示意图之一；
图4是本发明优选实施例提供的热电材料性能参数测量装置的结构示意图之二；
图5是本发明优选实施例提供的热辐射屏蔽罩的主视图；
图6是本发明优选实施例提供的热辐射屏蔽罩的仰视图；
图7是本发明优选实施例提供的当热传导达到稳态时样品上两个测温点的温度波动随时间变化的示意图；
图8是本发明优选实施例提供的当热传导达到稳态时样品的热端和冷端温度波动随时间变化的实测曲线；
图9是本发明优选实施例提供的当样品为p型半导体时交流热电电压信号δu和交流温差信号δt之间的相位差为180°的示意图；
图10是本发明优选实施例提供的当热传导达到稳态时，样品两端交流温差δt和交流热电压δu信号随时间变化的实测曲线；
图11是本发明优选实施例提供的样品的热电势随温度变化的曲线；
图12是本发明优选实施例提供的样品的热扩散率和比热容随温度变化的曲线；
图13是本发明优选实施例提供的样品的热导率随温度变化的曲线。
图中：
1、样品座；2、真空腔；3、样品座加热器；4、样品座温度计；5、基座；6、导热绝缘垫片；7、支撑块；8、压条；9、待测量样品；10、高温端热电偶；11、低温端热电偶；12、样品加热器；13、样品电极；14、热辐射屏蔽罩；15、热辐射屏蔽罩加热器；16、热辐射屏蔽罩温度计；17、通孔；18、交流电源；19、高温端热电偶表头；20、低温端热电偶表头；21、热电偶参考端；22、热电电压测量仪表；23、电流源；24、电压表；25、控温仪；26、测量控制和数据采集系统；27、相同类型热电偶导线；28、导线；29、热绝缘支撑块。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
优选实施例：
本优选实施例公开一种热电材料性能参数测量装置。如图1至图6所示，该测量装置包括用于安装待测量样品9的样品座1，样品座1被置于真空腔2中；样品座1上设置有支撑块7和压条8，待测量样品9的一端被夹在支撑块7和压条8之间(形成冷端)，另一端上安装有用于为其加热的样品加热器12(形成热端)，样品加热器12对待测量样品9施加设置频率的交流加热功率。其中，真空腔2用来为测量工作提供所需的真空环境；支撑块7和压条8共同起到热沉的作用，支撑块7优选为铜块，压条8优选为铜压条。
该测量装置还包括分别与待测量样品9接触的高温端热电偶10和低温端热电偶11，高温端热电偶10的输出端连接至高温端热电偶表头19，低温端热电偶11的输出端连接至低温端热电偶表头20。其中，高温端热电偶10和低温端热电偶11优选为t型热电偶温度计；高温端热电偶10被用银胶固定在待测量样品9上靠近热端的位置处，低温端热电偶11被用银胶固定在待测量样品9上靠近冷端的位置处。
当测量热电势和热扩散率时，采用第一种连线方式，即高温端热电偶10和低温端热电偶11的相同类型导线27连接至热电电压测量仪表22，开启与样品加热器12相连的交流电源18，热电电压测量仪表22用来获取待测量样品9上两个测温点(分别为高温端热电偶10和低温端热电偶11的固定连接点)之间的交流热电电压；当测量电导率时，切换至第二种连线方式，即电流源23的输入端和输出端分别连接在待测量样品9的两端，高温端热电偶10和低温端热电偶11的相同类型导线27连接至电压表24,电压表24用来获取待测量样品9上两个测温点(分别为高温端热电偶10和低温端热电偶11的固定连接点)之间的电压信号。
高温端热电偶10和低温端热电偶11在真空腔2外通过铜导线28分别与高温端热电偶表头19、低温端热电偶表头20和热电电压测量仪表22(或者电压表24)相连，高温端热电偶表头19用于记录高温端热电偶10所测量到的温度波动，低温端热电偶表头20用于记录低温端热电偶11所测量到的温度波动；热电偶与铜导线28的连接端与热电偶参考端21热接触并且电气绝缘。
在上述结构的基础上，该测量装置还包括测量控制和数据采集系统26。该测量控制和数据采集系统26用于控制测量流程和数据采集，分别通过信号线连接至交流电源18、高温端热电偶表头19、低温端热电偶表头20、热电电压测量仪表22、电流源23和电压表24。
为了能更均匀地传热和导电，在待测量样品9的两端分别用银胶固定安装有由铜片制成的样品电极13，其中一端的样品电极13被夹在支撑块7和压条8之间，另一端的样品电极13上安装有样品加热器12。样品电极13优选由铜制成。
为了减少待测量样品9和环境之间的热辐射交换、同时提高样品温度测量的可靠性，热电材料性能参数测量装置还包括热辐射屏蔽罩14，热辐射屏蔽罩14罩在样品座1的外侧且位于真空腔2内；热辐射屏蔽罩14上开有至少一个通孔17，通孔17将热辐射屏蔽罩14的内部与真空腔2连通，使得测量过程中热辐射屏蔽罩14内部的真空度与真空腔2内的真空度保持一致。如图5和图6所示，热辐射屏蔽罩14上设置有热辐射屏蔽罩加热器15和热辐射屏蔽罩温度计16，热辐射屏蔽罩14和样品座1的温度与待测量样品9的平均温度相同或相差设定值，使得样品被暴露在一个与自身温度相近的热辐射环境中，减少待测量样品9和环境之间的热辐射交换，并提高样品温度测量的可靠性。
在上述结构的基础上，热电材料性能参数测量装置还包括控温仪25，控温仪25通过信号线连接至测量控制和数据采集系统26；控温仪25一方面与样品座加热器3和样品座温度计4相连以控制样品座1的温度,另外一方面与热辐射屏蔽罩加热器15和热辐射屏蔽罩温度计16相连以控制热辐射屏蔽罩14的温度。
样品加热器12周期性地加热待测量样品9的一端，优选的，交流电源18用于向样品加热器12输出频率为f的交流电流，从而在待测量样品9上安装有样品加热器12的一端产生频率为2f的交流加热功率。样品加热器12优选为用银胶固定在待测量样品9上的一个350欧姆的电阻。
在上述结构的基础上，样品座1包括基座5，基座5上设置有导热绝缘垫片6，支撑块7设置在导热绝缘垫片6上。导热绝缘垫片6在支撑块7和基座5之间起到电气绝缘作用(使得热电势和电导率的测量成为可能)和良好的热传导作用。
如果待测量样品9本身具有足够的机械强度，则其冷端被夹持在支撑块7和压条8之间时其热端可以处于悬空状态；当待测量样品9本身没有足够的机械强度时，如图4所示，可以在待测量样品9的热端下设置一个热绝缘支撑块29，用于支撑待测量样品9的热端。其中，热绝缘支撑块29由塑料、陶瓷等低热导率材料制成。
本优选实施例还公开一种基于上述热电材料性能参数测量装置的热电材料性能参数测量方法：当测量热电势和热扩散率时，高温端热电偶10和低温端热电偶11的相同类型导线27连接至热电电压测量仪表22。开启交流电源18，测量并记录待测量样品9两端的温度波动信号的幅度和相位，利用
其中，测量热扩散率和热电势时，采用第一种连线方式，温度波动信号、温差波动信号和热电电压波动信号是使用高温端热电偶表头19、低温端热电偶表头20和热电电压测量仪表22同时测量得到的；测量电导率时，切换至第二种连线方式，电流源23向样品施加电流，电压表24记录高温端热电偶10和低温端热电偶11之间的电压数据，上述测量数据的获取只需在热电电压测量仪表22和电压表24之间切换测量导线、以及断开或者连通样品电极13和电流源23之间的回路即可，不需要更换测量装置、不需要更换或移动待测量样品9，测量效率高，测量结果的一致性好；所得到的热电势为表观热电势，其大小由交流热电电压幅度和交流温差信号幅度决定，其符号根据交流热电电压和交流温差信号的相位关系进行判断。
具体的，该热电材料性能参数测量方法包括下述步骤：
步骤1、在待测量样品9的一端安装样品加热器12；将高温端热电偶10和低温端热电偶11分别安装在待测量样品9上靠近两端的位置处；将待测量样品9的另一端夹在支撑块7和压条8之间。
步骤2、将热辐射屏蔽罩14罩设在样品座1的外侧。
步骤3、将套有热辐射屏蔽罩14的样品座1置于真空腔2中，抽真空至设定真空度。
步骤4、将样品座1加热至基准温度并保持该温度值恒定。
步骤5、采用第一种连线方式，计算机控制交流电源18向样品加热器12通入频率为f的交流电流；检测待测量样品9两端温度的波动,计算待测量样品9的平均温度值；调整热辐射屏蔽罩14和样品座1的温度使其与待测量样品9的平均温度相同或相差设定值，以减小待测量样品9和周围环境之间的热辐射交换，并提高样品温度测量的可靠性；在本实施例中，加热电流的频率f为0.005hz。
步骤6、当判定待测量样品9两端的温度波动达到稳态时，记录待测量样品9两端的温度波动信号、温差波动信号以及热电电压波动信号。
步骤7、根据待测量样品9两端的温度波动信号的幅度和相位、利用
公式1：
其中,fh为加热频率(相当于加热电流频率的两倍)；l为高温端热电偶10和低温端热电偶11之间距离,δφ为待测量样品9的热端和冷端温度波动的相位差；a1/a2为待测量样品9的热端和冷端温度波动的幅度比；图8显示的是稳态时待测量样品9的热端和冷端温度波动随时间变化的实测曲线，利用图8所显示的数据、再结合公式1即可获取待测量样品9的热扩散率。
步骤8、根据温差波动信号以及热电电压波动信号的幅度和相位计算得到待测量样品9的热电势；在测量热扩散率的同时从高温端热电偶10和低温端热电偶11的相同类型导线27上取出交流热电电压信号δu,该数值由热电电压表22测量得到。当待测量样品9为p型半导体材料并且热端的信号引线和冷端的信号引线分别与热电电压表22的正负端相连时，δu与交流温差信号δt的相位相差180°(参见图9)；当待测样品为n型半导体材料时，δu与δt同相位。样品的热电势可以表示为:
公式2：
其中，δup为交流热电电压信号的幅度，δtp为交流温差信号的幅度；当δu与δt的相位相差180°时s取正号，当δu与δt的相位相同时s取负号。
图10显示的是在待测量样品9的平均温度为311k时交流温差信号和交流热电电压信号随时间变化的实测曲线；交流热电电压信号从两组t型热电偶(高温端热电偶10和低温端热电偶11)的铜线端取出。利用图10显示的数据、再结合公式2可以获取待测量样品9的热电势；图11展示了待测量样品9的热电势随温度变化的趋势。
步骤9、关闭交流电源18，切换至第二种连线方式，采用四线法得到待测量样品9的电导率，即利用电流源23向测量样品9中通入电流，使用电压表24记录高温端热电偶10和低温端热电偶11之间的电压数据，得到待测量样品9的电阻，并结合样品的尺寸信息进一步计算得到待测量样品9的电导率。
如图2所示，电流源23的输入和输出端分别与待测量样品9两端的样品电极13相连接，从高温端热电偶10和低温端热电偶11的相同类型导线27延长出来的导线与电压表24相连接。测量时，电流源23向待测量样品9输入电流i0,电压表24获取电压降δv，可根据公式3计算得到待测量样品9的电阻：
公式3：
待测量样品9的电导率可根据公式4计算得出：
公式4：
其中，a是待测量样品9的截面积。
步骤10、改变样品座1的基准温度；转至步骤5，进行下一个温度点的热扩散率、热电势和电导率的参数测量。
该测量方法还可以用于测量计算得到热导率。图12所示为待测量样品9的热扩散率和比热容cp随温度变化的趋势，其中cp是需要单独测量的参数；图13所示为待测量样品9的热导率随温度变化的曲线。根据阿基米德法可以得到待测量样品9的密度d，然后可以根据公式5得到待测量样品9的热导率：
公式5：κ＝cp·d·d
其中，d为由公式1计算得到的热扩散率。
待测量样品9的制作方法不限，优选实施例中测量样品9的制作方法如下：将sb2te3粉末和以环氧树脂为主的粘合剂混合均匀，采用丝网印刷(screenprinting)的方法制成样品条，在ar气环境中、350℃条件下烧结四个小时，制成长度约18mm、宽度约2-3mm、厚度约0.2-0.3mm的条状样品。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！