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镁基新材料大放异彩 推动热电发电机技术热度

2021-08-02 19:46 · 稿源:cnbeta

美国国家航空航天局(NASA)毅力号探测器的着陆不仅是太空探索的又一次飞跃,也是为该飞船在火星上长达数年的任务提供动力的技术:将热量转化为电能的热电发电机。为了寻找热电技术的下一个飞跃,杜克大学和密歇根州立大学的研究人员对两种镁基材料(Mg3Sb2和Mg3Bi2)有了新的基本见解,这两种材料有可能大大超过传统的热电设计,而且更环保,制造成本更低。

与有关使用重元素的普遍科学智慧相反,研究人员表明,用较轻的镁原子取代钙和镱等较重元素的原子,实际上可带来镁基材料性能的三倍增长。

在他们发表在《科学进展》杂志上的研究中,该团队使用了能源部(DOE)橡树岭(ORNL)和阿贡国家实验室的中子和X射线散射实验,以及国家能源研究科学计算中心(NERSC)的超级计算机模拟。原子尺度的调查揭示了这些材料在室温下将热能转化为电能的能力背后的起源和机制。这些发现为改进热电应用指明了可能的新途径,例如 "毅力号"探测器和无数其他设备和能源发电技术中的应用。

热电材料本质上是通过材料的冷热面之间的温度差产生电压。通过将热能转化为电能,或反过来,热电设备可用于制冷或从废热中发电。

传统的热电材料依赖于重元素,如铅、铋和碲--这些元素不是很环保,而且它们也不是很丰富,所以它们往往很昂贵。另一方面,镁更轻、更丰富,这使它成为运输和航天应用的理想材料。通常情况下,较轻的材料不太适合用于热电设计,因为它们的热导率太高,这意味着它们传递的热量太多,无法维持产生电压所需的温差。较重的材料通常更受欢迎,因为它们传导的热量较少,可以更有效地保存和转换热能。然而,这些镁材料尽管质量密度低,但其热电传导率却非常低,这些特性有可能为设计不依赖有毒元素的重型材料的新型热电器件打开大门。

该团队研究的镁材料属于一个更大的金属化合物类别,称为Zintls。Zintl化合物中的原子结构,或原子排列,使得在材料中实验和替换不同的元素相对容易--例如,用轻元素替换重元素以达到最佳性能和功能。

在化学研究中,探索新材料的可能性往往涉及用一种元素替代另一种元素,只是为了看看会发生什么。没有人想到镁是更好的化合物,事实上就是这样的,所以下一步是要找出原因。

材料中的原子不是静止的,或者说是不动的;它们的振动幅度随着温度的升高而增加。集体振动产生了一种波纹效应,称为声子,看起来像池塘表面的波浪。这些波是通过材料传递热量的,这就是为什么测量声子振动对于确定材料的导热性很重要。

中子是研究声子等量子现象的独特对象,因为中子没有电荷,可以与核子相互作用。这种相互作可比作弹奏吉他弦,因为它们可以将能量转移到原子上以激发振动,并获得关于材料内部原子的隐藏信息。

该团队使用ORNL的辐照中子源(SNS)的宽角范围斩波器光谱仪,或ARCS,来测量声子振动。他们获得的数据使他们能够追踪到这些材料有利的低导热性,因为它们是一种特殊的镁键,通过使声子波相互干扰而破坏了它们在材料中的传播。ARCS可以检测到广泛的频率和波长,帮助测量材料中发现的声子波。

中子散射测量为研究小组提供了对镁质Zintl材料内部动力学的广泛调查,有助于指导和完善计算机模拟和随后的X射线实验。这些都被用来建立对材料导热性来源的完整理解。

在阿贡高级光子源(APS)进行的补充性X射线实验被用来放大晶体样品中的特定声子模式,这些样品太小,无法进行中子测量。中子和X射线测量结果与在NERSC进行的超级计算机模拟结果一致。

热电技术在像火星毅力号这样的应用中至关重要,这些应用需要更简单、更轻便和更可靠的设计,而不是传统上用于从热能发电的带有移动部件的笨重发动机。这些镁基材料是该领域的一大进步,可以提供明显更高的功率效率,并为更先进的热电应用提供很大的潜力。

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