测量导电器

导读：当今，化石能源短缺和环境污染问题凸显，能源的多元化和高效多利用成为解决能源与环境问题的一个重要途径。作为一种绿色能源技术和环保型制冷技术热电转换技术受到学术界和工业界的广泛关注。热电器件可以实现热能和电能的直接转换，在航空航天、低品位热回收和固态制冷领域具有重要的研究价值。 热电转换技术是利用材料的塞贝克（Seebeck）效应与帕尔贴（Peltier）效应将热能和电能进行直接转换的技术，包括热电发电和热电制冷。这种技术具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物、适用温度范围广等特点。随着研究的深入，特别是对热电半导体输运机制的深入理解及新的调控机理及制备手段的应用，热电材料的性能得到了长足的进步，研究重点也逐渐从侧重基础的材料研究向侧重应用的器件研究转移。热电器件可按用途简单分为热电发电器件（TEG）及热电制冷器件（TEC），一般由n型和p型的热电材料通过热并联和电串联的形式构成，其工作原理见图1。随着航空航天、物联网及低品位热回收等领域的发展，热电发电器件的性能越来越受到人们关注，除了用于制备器件的热电材料本身的zT值这一重要因素外，器件的结构（形状、尺寸、连接方式）以及界面材料等都对器件性能有重要影响，因此，对于发电器件性能的准确测量从而改善器件的设计及制造工艺成为科研工作者的迫切需求。图1、热电发电器件与制冷器件的工作原理日本Advance Riko公司推出的小型热电转换测量系统Mini-PEM（图2）可以测量单腿器件的热电转换效率，该设备为目前商用的可以测量单腿器件热电转换效率的测量系统，热端温度高达500℃，可以测量器件在不同温差条件下的发电量、热流量及大转换效率。在近期的工作中，科研工作者使用小型热电转换测量系统Mini-PEM测量了碲化铋基热电材料制备的单腿发电器件。图2、小型热电转换效率测量系统Mini-PEM碲化铋基热电材料是目前应用广的热电材料，其具有优异的热电性能，且能在近室温附近表现出佳性能，国内外大量的科研团队对于提升其性能进行了大量深入的研究。近日，来自清华大学的研究团队使用放电等离子体烧结法，对碲化铋合金的制备工艺的改良进行了研究。该团队在原料中加入过量碲单质，随后控制放电等离子体烧结温度在共晶点上循环升降。采用此工艺能有效降低晶粒的界面自由能，促进晶粒的快速长大，从而减弱了块体内部晶界对载流子的散射作用，显著改善了电学性能提升了功率因子（PF）；在伴随共晶液相的挤出过程中引入大量位错。同时还可形成大量二相，进一步增加了位错密度。这些结构能有效增强声子散射，从而降低晶格热导率（κL）。终，优化工艺参数和组分的p型(Bi,Sb)2Te3材料的ZT值达到1.46，较常规放电等离子体烧结得到的商用(Bi,Sb)2Te3材料提升了50%，采用该材料制备的单腿器件的热电转换效率提升超过80%[1]。图3、单腿器件结构图及实物照片（a），热电转换效率（η）与电流（I）的关系：经过4次SPS循环的Bi0.4Sb1.6Te3.2（b），1C样品：1次循环（c），商用(Bi,Sb)2Te3：标准球磨-烧结制备（d），经过4次SPS循环的Bi0.4Sb1.6Te3.2的理论值（e）作为发电热电材料，p型Bi2Te3基热电材料性能高，但高性能的n型材料相对缺乏，为解决这一问题，科研工作者进行了多种尝试。来自南方科技大学的科研团队在n型Bi2Te3材料中复合过量的碲（Te）单质，通过烧结使碲单质熔化流出，在基体中引入位错。此外，还复合掺杂了锑（Sb）元素，使材料中同时存在多种缺陷，从而达到了降低热导率的目的，显著提高zT值。使用Bi1.8Sb0.2Te2.7Se0.3 + 15 wt% Te 的n型热电腿和Bi0.5Sb1.5Te3的p型热电腿制备的热电转换器件，实现了3.7W的大输出功率及6.6%的转换效率[2]。与上述研究不同，此工作中科研工作者制备了由70对π形结构组成的器件（图4），器件尺寸30 mm×30 mm×3.8 mm，值得注意的是，本工作的发电量及热电转换效率是由日本ADVANCE RIKO公司生产的热电转换测量系统PEM-2测得的。图4、载流子局域化示意图（a），n型Bi2(TeSe)3的zT值与温度的关系曲线（b），热电器件的输出功率（c），热电转换效率（d）热电转换测量系统PEM-2支持多种器件尺寸，热端高温度可达800℃，测量在惰性气体（Ar）中进行。为了模拟热电发电器件在真实工况中的使用，Advance Riko公司新近推出了大气环境下热电材料性能评估系统F-PEM，该系统可在大气环境下，对负荷温差的器件的发电量及热流量进行测量，计算热电转换效率。该系统还可以长时间运行热循环测试，从而测试商用组件在负载和温度下的耐久性。图5、热电转换效率测量系统PEM-2（a），大气环境下热电材料性能评估系统F-PEM（b）此外，上述两篇文章中材料的电输运性能（电导率σ、塞贝克系数S）均使用日本Advance Riko公司生产的塞贝克系数/电阻测量系统ZEM-3（图6）测得。图6、塞贝克系数/电阻测量系统ZEM-3延伸阅读日本Advance Riko公司已专业从事“热”相关技术和设备的研究开发近60年，并一直走在相关领域的前端，为各地的科学研究及生产活动提供了诸如红外加热、热分析/热常数测量等系统。2018年初，Quantum Design 中国公司将日本Advance Riko公司的新先进热电材料测试设备：小型热电转换效率测量系统Mini-PEM、塞贝克系数/电阻测量系统ZEM、热电转换效率测量系统PEM及薄膜厚度方向热电性能评价系统ZEM-d引进中国。2018年7月，Quantum Design中国与日本Advance Riko达成协议，作为其热电材料测试设备在中国的代理商继续合作，携手将日本Advance Riko先进的热电相关设备介绍到中国。 目前，所有中国用户购买的日本Advance Riko热电产品，均由Quantum Design中国公司的工程师团队负责安装及售后服务。同时，Quantum Design 中国公司在日本Advance Riko公司的协助下，在北京建立部分热电设备示范实验室和用户服务中心，更好的为中国热电技术的发展提供设备支持和技术服务。 参考文献：[1] H. Zhuang et al. / Thermoelectric Performance Enhancement in BiSbTe Alloy by Microstructure Modulation via Cyclic Spark Plasma Sintering with Liquid Phase. Adv. Funct. Mater. 2021, 2009681[2] B. Zhu et al. / Realizing Record High Performance in n-type Bi2Te3-Based Thermoelectric Materials. Energy Environ. Sci., 2020, 13, 2106-2114

电导率电极是在保证性能的基础上简化了功能，从而具有了特别强的价格优势。清晰的显示、简易的操作和优良的测试性能使其具有很高的性价比。可广泛应用于火电、化工化肥、冶金、环保、制药、生化、食品和自来水等溶液中电导率值的连续监测。　　电导电极的使用　　(1)为保证电导率仪器的测量精度，必要时，仪器使用前，用电导率仪对电极常数进行重新标定，同时，应定期进行电导电极常数标定，如出现误差较大时应及时更换电导电极。　　(2)在测量高纯水时应避免污染，正确选择电导电极的常数，并采用密封、流动的测量方式。否则，其电导率值将很快升高，这是因为空气中的二氧化碳溶入高纯水后，就变成了具有导电性的碳酸根离子而影响测量值。　　(3)为确保测量准确度，电导电极使用前应用小于0.5us/cm的去离子水(或蒸馏水)冲洗2次，然后，用被测试样冲洗后方可测量。　　(4)仪器测量后显示的值已折算到25℃测量值，如不需补偿，拔去温度电极仪器显示25℃，测量的值就是当时的溶液的电导值。　　电导电极的维护保养　　电导电极的贮存　　光亮的铂电极、镀铂黑的铂电极(长期不使用)一般贮存在干燥地方，但镀铂黑的铂电极使用前必须放在蒸馏水中数小时，经常使用的镀铂黑电极可以贮存在蒸馏水中。　　电导电极的清洗　　(1)可以用含有洗涤剂的温水清洗电极上的有机成分沾污，也可用酒精清洗。　　(2)钙、镁沉淀物用10%的柠檬酸清洗。　　(3)光亮的铂电极可以用软刷子机械清洗，但在电极表面不可以产生刻痕，不可使用螺丝起子之类硬物清除电极表面，甚至在用软刷清洗时也要特别注意。　　(4)对于镀铂黑的铂电极，只能用化学方法清洗，用软刷子清洗时会破坏镀在电极表面的镀层(铂黑)。总之，实验室的实验人员如果能正确使用pH电极、电导电极，并做好电极的日常维护和保养工作，不但可以延长电极的使用寿命，而且可以大大地减少pH计、电导率仪的测量误差，从而提高化学实验、检验数据的准确性、可靠性。

电磁场(electromagnetic fields，EMF)是人类生存环境的一部分。自然界存在的最常见的电磁场为地球本身及太阳引起的磁场。人造系统和设备所产生的磁场，包括移动电话的无线电场、电力线的磁场以及电网电流的低频场。当电视机、电吹风机或类似家用电器通电并从电网电源提取电流时，在设备及其周围存在电场。每当设备开启并从电网电源取电时，同时存在电磁场。设备和电力线运行的电流所造成的电磁场，会对电视机等其他设备产生干扰。 　　电磁场辐射会对人体造成不良影响，主要表现为头晕、呕吐、乏力、失眠、心悸、记忆力减退、神经衰弱，也会增加儿童患白血病的概率，诱发癌症并加速人体的癌细胞增殖，影响生殖系统和视觉系统，严重危害到人类的健康。电磁场辐射已被联合国人类环境大会列入必须控制的造成公害的主要污染物之一。一般来说，磁场通常比电场对人体健康的影响更为显著。 　　为了保护暴露在电磁场中的人体头部和躯干的中枢神经系统组织，减少其对人体造成的不良影响，欧盟出台了相关措施对电磁场(EMF)的限值和测量方法进行了规定。欧盟关于电子电气产品电磁场辐射(EMF)的法规主要有R&TTE指令(1999/5/EC)和低电压指令(LVD，2006/95/EC)，这两项指令包含了电子电气产品对于人体的健康要求，即EMF要求。其中EMF限值在欧盟理事会建议1999/519/EC中规定，该建议规定了暴露在0 Hz～300 GHz频率范围的电磁场(EMF)的最大限值。而不同产品电磁场辐射的测量方法标准则不同，具体体现在R&TTE指令和LVD指令的协调标准清单中。 　　目前，有关电子电气产品的EMF评判(测量方法)标准有： 标准编号 产品类别 标准强制实施日期或 被替代标准符合性推断终止期 EN 50366:2003+A1:2006 家用电器 2008-11-01 EN 62233:2008 家用电器 2012-12-01 EN 62493:2010-2010 照明设备 2013-02-01 EN 62311:2008 电子电气设备(0Hz-300GHz) 2011-01-01 EN 50371:2002 低功率电子电气设备(10MHz-300GHz) —— EN 62479:2010 低功率电子电气设备(10MHz-300GHz) 2013-09-01 注：橙色显示的为将被新标准替代的旧标准。 　　对于家用电器，2012年12月1日后，原家用电器EMF测量标准EN 50366:2003及其增补件A1:2006将被新标准EN 62233:2008所替代，EN 62233:2008修改采用了IEC 62233:2005。也就是说，2012年12月1日后，EN 50366:2003+A1:2006将不再具有LVD指令EMF健康要求的推断符合性。 　　对于照明设备，2010年2月颁布的该类设备EMF测量方法标准EN 62493:2010，将于2013年2月1日开始实施，该标准修改采用了IEC 62493:2009。 　　对于低功率电子电气设备(电磁场在10MHz-300GHz范围)，2013年9月1日后，原EMF标准EN 50371:2002将被新标准EN 62479:2010所取代，新标准EN 62479:2010修改采用了IEC 62479:2010。“低功率设备”指可用天线功率和/或平均总辐射功率小于等于低功率排除电平的设备。“低功率排除电平”(low-power exclusion level)Pmax指设备输出功率的特定条件，取决于频率以及人和辐射源的距离等其他变量，以致于辐射源产生的暴露水平不会超过一个特定的基本限制。如果设备输出功率小于Pmax，则设备被视为符合基本限制。根据该标准，对于不包含无线电发射器的音视频(AV)产品、信息技术设备(ITE)和多媒体设备(MME)，属于无意发射体(unintentional radiators)，本质上符合(inherently compliant)适用的电磁场暴露水平。 　　对于不属于低功率电子电气设备、以及家用电器和照明设备之外的其他电子电气设备，其EMF测量参照通用标准EN 62311:2008，该标准修改采用了IEC 62311:2007。