材料委好文：一文读懂“军民两用”热电材料

能源产业的发展推动着人类社会的发展与物质文明的进步。近年来，全球工业化进程不断加快，人们对地球资源的开发与利用不断增加，能源危机日益突显。而在能源损耗过程中，一半以上的能源都以废热的形式释放到环境中，城市固体废弃物的焚烧、汽车尾气排放的废热，热能浪费的现象比比皆是。

热电材料是一种通过固体内部载流子的运动实现热能和电能之间相互转换的新能源材料。与其他发电技术相比，热电材料器件易于小型化、无污染、无噪音、可靠性高，因此具有很大的发展潜力。

依据不同的工作温度，热电材料可分为低温体系、中温体系和高温体系三类。低温材料体系为碲化铋及其合金，最佳工作温度在 300℃以下，被广泛用于热电制冷领域；中温材料体系为碲化铅、填充方钴矿、half-Heusler 等化合物，工作温度区间为 300-700℃，在汽车尾气和工业余废热回收方面具有潜在应用前景；高温材料体系主要为硅锗合金，最高工作温度区间可达 700℃以上，应用于深空探测卫星的同位素热电发电器等。

除上述热电材料体系之外，近年来随着“电子晶体-声子玻璃”、能带工程、纳米工程、类液态效应等一系列新概念和新思想的提出，涌现出了一大批新型的高性能热电材料，包括Zintl相材料、笼合物、氧化物、Cu 基化合物、SnSe等，极大地丰富了热电材料的研究。

热电材料应用领域

热电材料是一种重要的军民两用材料，可在特种电源、工业余废热回收、局部精确控温等领域取得广泛的使用。热电发电具有系统体积小、可靠性高、无运动部件等特点，在航空航天和军事等领域使用广泛。比如，人造卫星、深空探测器、火星 / 月球表面着陆器所使用的放射性同位素热电发电器利用热电材料将放射性同位素衰变时所放出的热量直接转换成电能加以利用。在工业领域，可以通过热电材料将太阳热、工业余/ 废热、汽车尾气废热甚至是人体体温转换成电能加以利用。

热电制冷具有全固态、无噪音、控温精度高等特点，主要应用于个人消费品领域（如：车载冰箱、除湿器、小型饮料机、车用冷杯、冷帽、汽车座椅等），电子领域（如：半导体芯片制冷、大功率 LED 散热器、投影仪散热等），医学领域（如：半导体制冷运血箱、冷敷仪、冷冻切片机、呼吸机、固体激光器等）。此外，在光学领域的红外线探测器、高灵敏度 CCD、分光光度计、色谱仪等也有应用，例如，俄罗斯米格战斗机配备的 AA-8 和 AA-11 系列导弹就采用热电制冷对红外探测系统进行温控。

国外产业格局

目前，热电材料已经取得产业化，国外发达国家已经孵化出一系列专门从事热电材料及其器件研究与生产的企业，包括美国贰陆马洛公司、美国 TE科技公司、美国Hi-Z科技公司、 美 国 Alphabet 能 源 公 司、加拿大热电子公司、德国 TEC 微系统公司、俄国晶体公司、日本松下公司以及日本京瓷公司等。

美国是热电材料的研究大国，加州理工学院、麻省理工学院、西北大学等著名学府近年来发表了大量的高质量热电材料研究论文。同时，美国政府及军方非常重视热电材料的开发与应用，许多企业都具有军方资助或与军方合作的背景。比如，全球热电技术的领导者 II-VI Marlow 公司与美国及国际防务和航天机构拥有超过 35 年的合作经历，其产品可在太空及多种极端条件下工作，而且 II-VI Marlow 公司的产品可以广泛使用在军用无人机、导弹制导、激光冷却系统、飞行服、军用级空间加热器、军用无线电子电源等领域中。此外，Alphabet Energy 公司凭借其独有的 PowerBlocks™ 热电材料，客户广泛涉及石油天然气、采矿、制造、运输以及国防能源密集型行业，并获得了美国能源部、美国陆军、美国空军的支持。

欧盟从“第六框架计划”开始支持热电材料的研究，并在“第七框架计划”中支持 InnovTEG 项目，主要聚焦于热电材料在光伏产业的应用，致力于高效太阳能光伏板的研制开发。企业方面，德国 TEC Microsystems 公司是知名的热电材料厂商，拥有十年的热电技术研究开发，专注于微型热电模块业务，产品涉及光电、电信、微电子、太空、医疗设备 / 医疗保健、安全系统、小规模能源收集和基础研究等重点行业。Crystal 是一家俄国公司，拥有二十年的热电器件研发与销售经验，在欧洲、亚洲、北美等地区销售其产品。

日本是能源匮乏国家，非常注重能源的有效利用，在氧化物热电材料、TiS₂化合物等热电材料的研究上取得了很大的进展。日本的企业也非常注重废热再利用，京瓷、日产等企业将热电材料引入到汽车中，用于座椅冷却片和尾气热能利用装置中。

国内产业格局

当前，我国在热电材料的研究上已经处于世界领先水平。以中科院上海硅酸盐研究所、武汉理工大学、清华大学、浙江大学、北京航空航天大学、南方科技大学等为代表的众多高校和科研院所纷纷投入到热电材料和器件的研究中并取得一定成果，此外国内在新型热电材料的研发上也取得了丰硕的成果。

与此同时，我国的热电材料产业与国外发达国家相比仍具有一定的差距，现有厂商包括广东富信科技股份有限公司、杭州大和热磁电子有限公司、河南鸿昌电子有限公司、江西纳米克热电电子股份有限公司、香河东方电子有限公司等。

上述企业中，广东富信科技股份有限公司已经成立超过二十年，是国内半导体热电产业规模较大的企业，主要从事半导体热电制冷芯片、半导体热电制冷系统以及半导体热电电子产品的研究与制造。杭州大和热磁电子有限公司成立超过二十年从事热电半导体致冷材料与器件、热电制冷组件、微型热电器件等的研发与生产工作。河南鸿昌电子有限公司专业生产半导体制冷组件，其产品除民用外亦可用在军事医疗等领域。江西纳米克热电电子股份有限公司也具有二十年的发展历史，从事半导体制冷、温差发电材料与器件等的研发与生产工作。

发展趋势及建议

我国是热电材料的研究和生产大国，但并不是热电材料的发展强国，总体而言，我国热电材料学术研究要强于产业发展。近些年，我国大力发展新能源产业，光伏产业、锂电池产业都得到了快速的发展，跻身世界前列。然而，同为新能源领域的热电材料产业发展缓慢，但是发展热电材料却对我国具有重大的现实意义。

热电发电和热电制冷系统具有结构紧凑、无运动部件、工作无噪音、无污染物排放、可靠性高、寿命长的特点，具有较高的经济价值；我国是能源消耗大国，且能源利用率不高，采用热电材料可以回收低品位工业余热、废热和预热，提高能源利用效率，推动我国节能减排技术的发展。

在未来的发展中，应加强热电材料在军事领域、汽车领域和光伏领域的应用。热电材料可精确控制温度、坚固耐用、无噪声等特点使其具有在军事领域广泛应用的潜力，如深空探测、深海监测网、静音核潜艇及超高声速飞行器；在工业余废热回收利用领域，热电材料可用于钢铁厂、水泥厂等高能耗生产过程，回收高温烟气、辐射热等低品位废热；在汽车领域，将热电材料安装在汽车上利用尾气废热发电可提高汽车发动机的燃油效率，减少二氧化碳的排放；将热电制冷技术用于座椅热电空调和电动汽车暖风空调，可显著降低汽车空调系统能耗，延长电动汽车的有效续航里程；在太阳能综合领域，将热电材料与光伏应用相结合，在太阳能电池板将太阳光转换为电能的同时，热电材料将太阳热转换为电能，可提高综合发电效率。