薄膜型热电材料塞贝克系数及电导率的测试装置，它要解决现有用于测试薄膜型热电材料塞贝克系数和电导率的装置存在较大的测量误差的问题。该测试装置包括计算机、隔离管、试样固定平台、两个热电偶探针、样品安装装置、数据采集装置和控制系统，待测薄膜样品安装于固定平台上，固定平台插入隔离管内，计算机与控制系统、数据采集系统相连，在控制系统控制下开启加热棒在待测样品两侧建立预设温度差或加载预设直流电流，数据采集系统传输取样点处温度值及电压信号，计算机计算并交互显示塞贝克系数及电导率。本发明专利技术测试装置适用于薄膜型热电材料的测量，测试过程温度与电压测量点保持一致，结构简单，便于加热，有效降低高温热电性能测试成本。
【技术实现步骤摘要】
薄膜型热电材料塞贝克系数及电导率的测试装置
本专利技术属于半导体材料热电性能测量表征
，具体涉及一种薄膜型热电材料塞贝克系数和电导率的测试装置。
技术介绍
热电材料是一种能够实现热能和电能间相互转换的功能材料。热电材料制备的热电器件具有无运动部件、服役时间长、可靠性高等优点，在航空领域、工业余热发电、汽车尾气发电等领域具有很大的应用潜力。特别是在全球能源危机日益加剧、环境问题函待解决的今天，热电材料的相关研究受到了材料科学界的高度关注。塞贝克(Seebeck)系数和电导率是衡量热电材料热电转换性能的重要参数。快速、准确、便捷的测量塞贝克系数和电导率，在热电材料的研究、开发过程中具有重要的应用价值。目前塞贝克系数的测量方法多采用动态法测量：加热待测试样的一段，使其连续升温，从而在试样两端产生一个连续变化的温度差ΔT，采集该温度差对应的塞贝克电压ΔU，塞贝克系数α为：α≈ΔU/ΔT电导率测量多采用四电极法以消除接触电阻影响提高测量精度，试样最外侧的两个电极与直流电源连接，并加载电流I，测量内侧两探针间的电压U，在已知待测试样横截面积A以及内侧探针间距L的基础上，电导率σ为：鉴于热电材料的研究工作多以块状材料作为研究对象，因此目前商业化的热电材料性能测试设备的样品尺寸要求绝大多数均为块状材料。例如热电材料研究的相关文献中使用最为广泛的两款热电性能测试设备：日本ULVACZEM-3以及德国LinseisLSR-3均要求样品为满足横截面为(2-4)×(2-4)mm矩形或圆形，6-22mm长的条棒。相比于传统块状热电材料，薄膜型热电材料具有更快的响应速度、较高的转化效率和低制造成本的优势，因此热电材料的研究有不断向薄膜化方向发展的趋势。然而，针对薄膜型热电材料的塞贝克系数和电导率测试设备极为有限。为了实现在中高温热电材料工作区间内的测试，有文献报道采用导电银胶固定导线，导热胶固定热电偶的方式实现薄膜型热电材料塞贝克系数和电导率的测量(见[1]Lee,H.,etal.,Thermoelectricpropertiesofin-situplasmaspraysynthesizedsub-stoichiometryTiO2-x.ScientificReports,2016.6:p.36581.[2]Han,S.J.,Y.ChenandS.Sampath,Roleofprocessconditionsonthemicrostructure,stoichiometryandfunctionalperformanceofatmosphericplasmasprayedLa(Sr)MnO3coatings.JournalofPowerSources,2014.259:p.245-254.)。这种方式采用的导电银胶耐受温度有限，存在测量过程中失效的风险，且电压与温度测试点不在同一位置，存在较大的测量误差。总之，当前市场的热电材料性能测试设备较难满足日益兴起的薄膜型热电材料的测试需求。针对薄膜型热电材料设计一种设计简单、测量准确的塞贝克系数及电导率的测试装置对快速评价热电性能助力材料开发研究显得尤为重要。
技术实现思路
本专利技术的目的是要解决现有用于测试薄膜型热电材料塞贝克系数和电导率的装置电压与温度测试点不在同一位置，存在较大的测量误差的问题，而提供一种薄膜型热电材料塞贝克系数及电导率的测试装置。本专利技术薄膜型热电材料塞贝克系数及电导率的测试装置包括计算机、隔离管、试样固定平台、第一热电偶探针、第二热电偶探针、探针架、样品安装装置、数据采集装置和控制系统，所述的试样固定平台由第一陶瓷底座、中间陶瓷底座、第二陶瓷底座和多根不锈钢丝杆组成，第一陶瓷底座、中间陶瓷底座和第二陶瓷底座竖立间隔平行设置，从左至右依次设置第二陶瓷底座、中间陶瓷底座和第一陶瓷底座，多根不锈钢丝杆分别穿过第一陶瓷底座、中间陶瓷底座和第二陶瓷底座，不锈钢丝杆与各陶瓷底座之间通过固定螺母固定形成试样固定平台；样品安装装置设置在第一陶瓷底座的底座表面上，所述的样品安装装置包括2个支撑电极、2个压紧电极和4个螺杆，其中一个压紧电极内设置有加热棒，每2个螺杆分别穿过一个支撑电极和一个压紧电极分别形成第一锁紧电极和第二锁紧电极，螺杆的一端穿过第一陶瓷底座通过螺母固定，螺杆的另一端旋紧有螺母使热电材料试样压紧在锁紧电极的支撑电极和压紧电极之间；探针架设置在第二陶瓷底座的底座表面上，探针架的中部沿轴向设置有隔板，探针架的架体内通过隔板分隔成两个探针腔室，第一热电偶探针和第二热电偶探针分别置于两个探针腔室中，每根热电偶探针的热电偶线一端穿过探针架的架顶板，每根热电偶探针的探针一端穿过第二陶瓷底座和中间陶瓷底座抵在热电材料试样表面，在每根热电偶探针的表面套设有探针轴套，探针轴套与架顶板之间设置有弹簧，热电偶探针套在弹簧内；带有样品安装装置和探针架的试样固定平台整体置于隔离管中，隔离管的左端管口通过电极法兰密封，隔离管的右端管口通过密封法兰密封，第一热电偶探针的温度信号、第二热电偶探针的温度信号、两个热电偶探针正极间电压信号、两个热电偶探针负极间电压信号、第一锁紧电极表面的温度信号和第二锁紧电极表面的温度信号通过信号传输线经电极法兰传导到数据采集卡内；通过控制系统控制加热棒的开闭以及通过压紧电极加载到热电材料试样上的电流大小，数据采集装置和控制系统分别通过数据线与计算机相连。本专利技术用于测试薄膜型热电材料塞贝克系数和电导率的装置能够实现对薄膜型热电材料塞贝克系数及电导率的动态测量，测试过程温度取样点与电压测量点保持一致，信号采集探针可在不污染、损坏待测表面基础上保持与样品表面的紧密接触，且该测试装置结构简单，精度较高。本专利技术薄膜型热电材料塞贝克系数及电导率的测试装置包括如下有益效果：1、本专利技术中所设计的样品固定平台通过锁紧电极可与热电材料试样表面实现良好接触，适用于薄膜型热电材料的测量，结构简单，便于样品的安装与更换。2、测试过程温度取样点与电压测量点保持一致，所涉及的探针座结构，能够实现热电偶探针在不污染、损坏待测表面基础上保持与样品表面的紧密接触，并在测量过程中保持固定的相对距离。3、本测试装置机械结构简单，便于拆装维护，隔离管结构易于与管式加热炉结合安装实现室温至高温真空或环境气氛下的热电性能测试，避免了其他产品中加热与真空舱的二次投入，大幅降低了高温塞贝克系数及电导率的测试成本。附图说明图1为本专利技术薄膜型热电材料塞贝克系数及电导率的测试装置的组成框架示意图；图2为本专利技术薄膜型热电材料塞贝克系数及电导率的测试装置的整体结构示意图；图3为数据采集装置的接线示意图；图4为控制系统的接线示意图；图5为样品安装装置的结构示意图；图6为实施例中进行塞贝克系数测试得到的塞贝克电压与温差的曲线图，其中▲代表U+(图3中20信号)，■代表U-(图3中21信号)；图7为实施例中得到的电导率测试图，其中■代表U-，▲代表U+。具体实施方法具体实施方式一：本实施方式薄膜型热电材料塞贝克系数及电导率的测试装置包括计算机01、隔离管02、试样固定平台、第一热电偶探针12a、第二热电偶探针12b、探针架15、样品安装装置、数据采集装置17和控制系统16，所述的试样固定平台由第一陶瓷底座07a、中间陶本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.薄膜型热电材料塞贝克系数及电导率的测试装置，其特征在于该薄膜型热电材料塞贝克系数及电导率的测试装置包括计算机(01)、隔离管(02)、试样固定平台、第一热电偶探针(12a)、第二热电偶探针(12b)、探针架(15)、样品安装装置、数据采集装置(17)和控制系统(16)，所述的试样固定平台由第一陶瓷底座(07a)、中间陶瓷底座(07b)、第二陶瓷底座(07c)和多根不锈钢丝杆(04)组成，第一陶瓷底座(07a)、中间陶瓷底座(07b)和第二陶瓷底座(07c)竖立间隔平行设置，从左至右依次设置第二陶瓷底座(07c)、中间陶瓷底座(07b)和第一陶瓷底座(07a)，多根不锈钢丝杆(04)分别穿过第一陶瓷底座(07a)、中间陶瓷底座(07b)和第二陶瓷底座(07c)，不锈钢丝杆(04)与各陶瓷底座之间通过固定螺母(05)固定形成试样固定平台；样品安装装置设置在第一陶瓷底座(07a)的底座表面上，所述的样品安装装置包括2个支撑电极(09)、2个压紧电极(10)和4个螺杆(06)，其中一个压紧电极(10)内设置有加热棒(25)，每2个螺杆(06)分别穿过一个支撑电极(09)和一个压紧电极(10)分别形成第一锁紧电极和第二锁紧电极，螺杆(06)的一端穿过第一陶瓷底座(07a)通过螺母固定，螺杆(06)的另一端旋紧有螺母使热电材料试样(08)压紧在锁紧电极的支撑电极(09)和压紧电极(10)之间；探针架(15)设置在第二陶瓷底座(07c)的底座表面上，探针架(15)的中部沿轴向设置有隔板(15‑1)，探针架(15)的架体内通过隔板(15‑1)分隔成两个探针腔室，第一热电偶探针(12a)和第二热电偶探针(12b)分别置于两个探针腔室中，每根热电偶探针的热电偶线一端穿过探针架(15)的架顶板(15‑2)，每根热电偶探针的探针一端穿过第二陶瓷底座(07c)和中间陶瓷底座(07b)抵在热电材料试样(08)表面，在每根热电偶探针的表面套设有探针轴套(13)，探针轴套(13)与架顶板(15‑2)之间设置有弹簧(14)，热电偶探针套在弹簧(14)内；带有样品安装装置和探针架(15)的试样固定平台整体置于隔离管(2)中，隔离管(2)的左端管口通过电极法兰(03b)密封，隔离管(2)的右端管口通过密封法兰(03a)密封，第一热电偶探针(12a)的温度信号(18)、第二热电偶探针(12b)的温度信号(19)、两个热电偶探针正极间电压信号(20)、两个热电偶探针负极间电压信号(21)、第一锁紧电极表面的温度信号(22)和第二锁紧电极表面的温度信号(23)通过信号传输线经电极法兰(03b)传导到数据采集卡(17)内；通过控制系统(16)控制加热棒(25)的开闭以及通过压紧电极(10)加载到热电材料试样(08)上的电流大小，数据采集装置(17)和控制系统(16)分别通过数据线与计算机(01)相连。...
【技术特征摘要】
1.薄膜型热电材料塞贝克系数及电导率的测试装置，其特征在于该薄膜型热电材料塞贝克系数及电导率的测试装置包括计算机(01)、隔离管(02)、试样固定平台、第一热电偶探针(12a)、第二热电偶探针(12b)、探针架(15)、样品安装装置、数据采集装置(17)和控制系统(16)，所述的试样固定平台由第一陶瓷底座(07a)、中间陶瓷底座(07b)、第二陶瓷底座(07c)和多根不锈钢丝杆(04)组成，第一陶瓷底座(07a)、中间陶瓷底座(07b)和第二陶瓷底座(07c)竖立间隔平行设置，从左至右依次设置第二陶瓷底座(07c)、中间陶瓷底座(07b)和第一陶瓷底座(07a)，多根不锈钢丝杆(04)分别穿过第一陶瓷底座(07a)、中间陶瓷底座(07b)和第二陶瓷底座(07c)，不锈钢丝杆(04)与各陶瓷底座之间通过固定螺母(05)固定形成试样固定平台；样品安装装置设置在第一陶瓷底座(07a)的底座表面上，所述的样品安装装置包括2个支撑电极(09)、2个压紧电极(10)和4个螺杆(06)，其中一个压紧电极(10)内设置有加热棒(25)，每2个螺杆(06)分别穿过一个支撑电极(09)和一个压紧电极(10)分别形成第一锁紧电极和第二锁紧电极，螺杆(06)的一端穿过第一陶瓷底座(07a)通过螺母固定，螺杆(06)的另一端旋紧有螺母使热电材料试样(08)压紧在锁紧电极的支撑电极(09)和压紧电极(10)之间；探针架(15)设置在第二陶瓷底座(07c)的底座表面上，探针架(15)的中部沿轴向设置有隔板(15-1)，探针架(15)的架体内通过隔板(15-1)分隔成两个探针腔室，第一热电偶探针(12a)和第二热电偶探针(12b)分别置于两个探针腔室中，每根热电偶探针的热电偶线一端穿过探针架(15)的架顶板(15-2)，每根热电偶探针的探针一端穿过第二陶瓷底座(07c)和中间陶瓷底座(07b)抵在热电材料试样(08)表面，在每根热电偶探针的表面套设有探针轴套(13)，探针轴套(13)与架顶板...
【专利技术属性】
技术研发人员：张广军，吕明达，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23
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