热电材料塞贝克系数测试仪研制

李洪涛，郅惠博，吴益文，王 彪，徐 杰，陈 杰，吴子华，宿太超

（1.上海出入境检验检疫局，上海 200135；2.上海第二工业大学，上海 201209；3.河南理工大学，河南 焦作 454000）

热电材料塞贝克系数测试仪研制

李洪涛1，郅惠博1，吴益文1，王 彪1，徐 杰1，陈 杰1，吴子华2，宿太超3

（1.上海出入境检验检疫局，上海 200135；2.上海第二工业大学，上海 201209；3.河南理工大学，河南 焦作 454000）

为避免热电材料在高温测试过程中被氧化，基于塞贝克效应（Seebeck effect）设计一种在真空高温环境下测试热电材料Seebeck系数的新型装置。装置主要包括真空系统、样品支架系统和控制总成3部分。该新型装置成本低廉，易于操作，其应用不但可以有效防止高温环境中样品测试的氧化现象，而且可以在高温真空环境下准确、快速地测量样品的Seebeck系数。

热电材料；塞贝克系数；装置；真空；高温；氧化

0 引言

热电材料是一种基于塞贝克（Seebeck）效应和帕尔贴（Peltier）效应，通过固体材料内部载流子输运实现热能与电能相互转换的新型功能材料[1-3]。以热电材料为核心部件的热电器件可以制作成温差发电或温差电制冷装置，称之为热电装置（thermoelectricdevices，TE装置）。热电装置在热电发电和温差电制冷领域具有广泛的应用前景[1-10]。热电材料品质的优劣取决于其热电性能，Seebeck系数是评价热电性能的重要指标之一[1-3]。目前，市场化实际应用的热电材料大多为金属合金化合物[1-10]。由于这些合金化合物在高温环境中易氧化，直接导致材料的本征性能下降，从而造成了高温环境下Seebeck系数测量的不准确。因此，要准确评价热电材料的热电性能必须选用高真空度的设备。目前，Seebeck系数的测试大多采用国外进口的价格昂贵的商用机器[7-8]，其大多采用的是惰性气体反复冲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。这样的真空度会

大大影响高温环境下长时间Seebeck系数测试的准确性。综上所述，为防止高温测试环境下热电材料的氧化，本工作设计开发了一种高温环境下测试Seebeck系数的装置，其极限真空度在10-3Pa。该装置成本低廉、易于操作，其应用不但可以有效防止高温测试过程中的样品氧化现象，而且可以在高温真空环境下准确、快速地测量样品的Seebeck系数。

1 基本原理

Seebeck效应是指热能转换为电能的现象，是热电材料应用的理论基础，被称为热电第一效应。Seebeck系数通常也称为温差电动势率，根据Seebeck系数的定义[1-3]，其表达式为

式中：S——热电材料的Seebeck系数；

ΔT——温差；

Vsr——温差ΔT下产生的Seebeck电势差。

Seebeck系数的测量装置如图1所示。在实际测试中，通常在上下电极中的一端安装加热或制冷装置，使热电材料样品两端产生温差，然后通过热电偶测量得到温差ΔT和电势差Vsr。

图1 塞贝克系数测试原理示意图

2 总体结构

由式（1）和图1可知，要得到Seebeck系数需要测量材料两端的温差ΔT和电压Vsr，因此研制开发高真空环境下的热电材料Seebeck系数测试设备的工作主要是确保高真空条件下材料两端温度和电压测试的准确，本仪器结构原理如图2所示。在高温炉炉腔上方连接水冷电极，底部连接真空抽气阀，真空抽气阀经管道与真空泵连接，高温炉炉腔内设置隔热屏，隔热屏内设置加热器，加热器经导线依次与真空电极、炉腔温度控制系统和工控机连接，高温炉炉腔一侧连接放气阀，另一侧通过法兰连接样品杆，样品杆悬伸进高温炉炉腔中央，测试样品固定在杆一端，其底部设置有薄膜加热器，其两端各引出温度和电势差引线，经高温炉炉腔上方的真空电极引出，分两路经温度与电势差采集系统（扫描卡和纳伏表）与工控机连接，薄膜加热器经薄膜加热器的温度控制系统与工控机连接。总体上这一测试装置（见图3）主要由真空系统、样品支架系统和控制系统3部分组成。

图2 仪器结构原理图

2.1 真空系统

图3 测试系统

真空系统包括真空高温测试室和真空抽气系统，见图2（a）。真空系统的主要部件包括：水冷铜电极（用于给加热器供电）、真空电极（18芯电极）、加热器（筒状结构，内部空间尺寸φ100 mm×200mm）、隔热屏（5～6层）、真空计（用于测量炉内真空度，可测量压力从10-3Pa到大气压）、铂铑热电偶（极限温度1000℃）、真空泵、放气阀、抽气阀。此外，真空高温测试室前开门，内部为卧式双层水冷筒状结构（约φ400 mm×500 mm），其材质为304不锈钢，外表面喷细砂为亚光效果，内表面严格抛光。真空抽气系统主要包括TRP24双级旋片泵一台，其极限真空度可达10-3Pa。测试室测试极限温度为1000℃，可按照预设定的升温或降温曲线控温，准确度为±1℃。

2.2 样品支架系统

样品支架系统见图2（b）。样品杆从炉腔后侧法兰安装并穿过隔热屏悬伸于加热区中心。样品杆的前端掏空，用于放置小型薄膜加热器以及测试样品，样品通过钼螺丝固定。测量所用的热电偶等用高温胶粘贴在样品的两端，悬空在真空高温测试室中，另一端由真空电极（18芯电极）引出。样品杆采用热导率大的陶瓷（AlN或Al2O3）加工而成，可以使样品快速加热且其温度场达到平衡状态，减小测量误差。小型薄膜加热器可通入电流加热样品使样品两端产生不同的温差。薄膜加热器的规格为：电压5V，功率5W，面积20mm×20mm。

2.3 控制系统

控制系统是由工控机（DELL-640-M）、GP-IB 488卡（PCI-GPIB，NI-488.2M）、I/O卡（PCI-6514）、RS232-RS485信号转换器（I-7520）以及软件系统组成。GP-IB 488卡用于样品两端温度和电势差的采集，I/O卡和RS232-RS485信号转换器用于控制温度。温度控制系统首先在计算机的控制下，将温度控制在设定的温度点；然后，计算机通过GP-IB 488卡（PCI-GPIB，NI-488.2M）采集热电偶的数值来得到样品两端的温差；同时，测量两根铂铑热电偶（Pt/Rh）线的电势差；接下来，通过改变样品两端的温度从而获得几组不同的温差和电势差的值；最后，通过拟合温差-电势差曲线计算热电材料的塞贝克系数。

3 试验验证与讨论

采用本装置对康铜标样（constantan）进行Seebeck系数的测试，具体过程如下：首先设置好塞贝克系数测量的温度区间（50～800℃，每50℃测量一个点）和炉腔的升温速率（10K/min）；然后将样品用钼螺丝固定在高温炉中央，关闭好炉门抽真空，抽至5×10-3Pa；最后在测试过程中的既定温度点通过给样品加热使样品两端产生温差和电势差，根据式（1）计算对应的Seebeck系数。从图4可以看出，本仪器对康铜标样进行Seebeck系数测试得到的结果与标样给定的标称值吻合得很好，特别是在高温区域。综上所述，本新型装置与现有装置相比具有以下显著优点：（1）与国外进口设备相比，该装置成本低廉，易于操作。（2）测量在高真空环境下进行，有效遏制了高温下测试过程中样品的氧化问题。（3）采用样品通过样品杆悬空在炉腔中央的设计，测试对样品的强度、硬度和尺寸等无苛刻要求，大大拓宽了测量系统的测量范围。国外商用机器多采用杠杆将热电偶紧贴在垂直放置的样品侧面的方式测量不同温差下的塞贝克系数，样品氧化挥发时常常沾附在热电偶的顶端造成热电偶的污染，导致测量精度降低。由于热电偶的顶

图4 康铜标样的Seebeck系数测试结果

端特别脆弱，清洗时稍微用力就有可能造成热电偶顶端断裂，给测量带来不便。（4）样品杆采用热导率大的陶瓷，可以使样品快速加热且其温度场达到平衡状态，减小测量误差。（5）采用了扫描卡和纳伏仪表采集数据，其温度分辨率可以达到约0.05K，大大提高了测量精度。

4 结束语

本文提出了一种适合真空高温环境下热电材料Seekbeck系数测试的新型装置。该装置成本低廉，易于操作，其应用不但可以有效防止高温测试环境下的样品氧化，而且可以准确、快速地测量样品的Seebeck系数。本设计对于热电材料科研工作者和相关热电材料生产企业进行热电测试设备的开发具有积极的意义。

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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

国家自然科学基金项目（51001042）国家质量监督检验检疫总局科技计划项目（2012IK049）

李洪涛（1980-），男，博士，主要从事进出口工业品与原材料品质检测的研究。