黃豪杰一篇篇的翻閱著關(guān)于離子發(fā)和光子發(fā)的資料，這些資料很多是理論上的論文，當(dāng)然其中離子發(fā)方面的實際應(yīng)用還是有不少的。

    米粒家、太陽國、西洲聯(lián)盟都有離子發(fā)的衛(wèi)星或者探測器，特別是深空探測器方面，钚同位素電池配合離子發(fā)，才可以飛行幾十年。

    不然那些動輒飛行幾十年的探測器，根本沒有辦法采用化學(xué)燃料發(fā)動機。

    看了小半天，但是解決核聚變小型化的熱量問題，有用的依舊是寥寥無幾。

    不過離子發(fā)和光子發(fā)還是非常有潛力的，黃豪杰向忠問道：

    “我記得我們是不是有一個離子發(fā)動機研究所?”

    ［是的，離子發(fā)動機研究所在基隆市，所長是周博通，總工程師是三島季。］

    “周伯通?”黃豪杰好奇的抬起頭來。

    ［╭(′??o??′)╭??是博學(xué)多才的博。］

    “額……”黃豪杰頓時一尬，連忙轉(zhuǎn)移話題：

    “將我實驗室里面的5、6、7號小型反應(yīng)爐送去離子發(fā)動機研究所，讓他們研究核聚變的離子發(fā)動機，順便連光子發(fā)動機的任務(wù)也給他們了?！?br/>
    ［好的。］

    黃豪杰吩咐了這個事情之后，便將注意力集中在溫差發(fā)電上面，溫差發(fā)電是一種簡單直接的發(fā)電技術(shù)。

    無需復(fù)雜的設(shè)備裝置，只要一種叫做“熱電材料”的特殊材料，在其兩端施加以溫度差——比如，一端是27攝氏度涼水，另一端是100攝氏度的開水，這73攝氏度的溫度差，就可以讓這種材料發(fā)出一定功率的電能。

    既然優(yōu)點這么多、潛力巨大的發(fā)電技術(shù)，為什么很少聽說有應(yīng)用?

    因為溫差發(fā)電有一個致命的缺陷——效率太低。

    現(xiàn)有最好的溫差發(fā)電材料，其熱效率只有常規(guī)火力發(fā)電廠的一半不到，比地?zé)岚l(fā)電的效率還低（地?zé)岚l(fā)電效率在6～18%左右），這么低的熱效率，那些資本家又不是傻叉，怎么會做這種虧本買賣。

    不過黃豪杰在翻閱到一篇發(fā)表在Nature上的論文時，發(fā)現(xiàn)這篇論文給了他給不少的啟發(fā)。

    這篇論文是由西洲聯(lián)盟—奧地利維也納工業(yè)大學(xué)ErnstBauer教授領(lǐng)銜的研究團隊發(fā)表的。

    論文之中的數(shù)據(jù)顯示，他們實現(xiàn)了溫差發(fā)電材料的關(guān)鍵性能指標(biāo)——熱電優(yōu)值系數(shù)（ZT值）的翻倍。

    他們開發(fā)的熱電材料具有高達5到6的熱電優(yōu)值系數(shù)，而之前最好的材料一般也只有大約2.5到2.8。

    黃豪杰頓時重點關(guān)注起來，讓忠將這個團隊關(guān)于熱電材料的資料收集起來，不一會一大堆資料出現(xiàn)在他全息電腦里面。

    溫差發(fā)電要想提高熱電效率，就必須要提高熱電材料的ZT值，只有ZT值達到或者超過4，這種技術(shù)才具有商用價值。然而，熱電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)100多年過去了，科學(xué)家們連3都很難達到。

    為什么熱電材料的ZT值這么難提高?這要從溫差發(fā)電技術(shù)所依賴的物理原理——熱電效應(yīng)本身說起。

    金屬或者半導(dǎo)體的內(nèi)部存在有一定數(shù)量的載流子（比如電子或者空穴），而這些載流子的密度會隨著溫度的變化而出現(xiàn)變化，如果物體的一端溫度高，另一端溫度低，就會在同一個物體中間出現(xiàn)不同的載流子密度。

    只要可以維持物體兩端的溫差，就能使載流子持續(xù)擴散，從而形成穩(wěn)定的電壓，這便是溫差發(fā)電的原理。

    而溫差發(fā)電的效率，取決于熱電材料的三個重要的特性：

    第一、塞貝克系數(shù)（材料在有溫度差的情況下產(chǎn)生電動勢的能力），塞貝克系數(shù)越高，相同的溫差下產(chǎn)生的電動勢就越高，意味著能夠發(fā)出來的電就越多。

    第二、電導(dǎo)率（材料的導(dǎo)電性），電導(dǎo)率越高，電子在材料內(nèi)部就可以越容易地擴散。

    第三、熱導(dǎo)率（材料的導(dǎo)熱系數(shù)），熱導(dǎo)率越高，熱量就可以更快速地從熱端傳遞到冷端，從而讓溫差發(fā)電所依賴的溫度差消失，電動勢也就隨之消失。

    顯然對于熱電材料來說，前兩種能力是越強越好，而后一種能力則是越弱越好。

    熱電優(yōu)值系數(shù)ZT，也就是這三個參數(shù)的集合：塞貝克系數(shù)越高、電導(dǎo)率越高、熱導(dǎo)率越低，ZT值就越高，材料進行溫差發(fā)電的效率也就越高。

    因此，熱電材料的研究，其關(guān)鍵就是如何提高材料的ZT值，也就是在實現(xiàn)高的塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率的同時，獲得低的熱導(dǎo)率。

    不過想同時優(yōu)化這三個參數(shù)，是一件十分困難的事情。因為這三種性質(zhì)是相互關(guān)聯(lián)的，提升一種性質(zhì)，往往伴隨著另一種、甚至兩種性質(zhì)的指標(biāo)出現(xiàn)削弱。

    一般情況下，提升材料的塞貝克系數(shù)，就會降低其電導(dǎo)率。這種三個參數(shù)之間相互關(guān)聯(lián)的性質(zhì)，這使得熱電材料的研發(fā)一直進展緩慢。

    然而，三種參數(shù)“一損俱損、一榮俱榮”的這種關(guān)系，也不是完全絕對的。

    這個“利益共同體”也有一個“叛徒”——熱導(dǎo)率，更準(zhǔn)確地說，是熱導(dǎo)率的一部分。材料的熱導(dǎo)率包括兩個部分，分別是電子熱導(dǎo)率和聲子熱導(dǎo)率。

    其中，前者與電導(dǎo)率息息相關(guān)，是“利益共同體”的一分子；但聲子熱導(dǎo)率，卻是在決定熱電材料性質(zhì)的各種參數(shù)之中，唯一對ZT值里其它所有的參數(shù)都沒有影響的參數(shù)。

    這個維也納大學(xué)團隊的研究思路，便是在不影響材料電子熱導(dǎo)率的情況下，通過降低聲子熱導(dǎo)率的方式來降低整體熱導(dǎo)率。

    具體到材料的微觀層面，就是在不影響電子輸運的前提下，通過一些特殊的構(gòu)造，來增強聲子的散射，從而只降低材料的聲子熱導(dǎo)率，卻不改變其它參數(shù)。

    他們從2013年開始，經(jīng)過多年的研究，發(fā)現(xiàn)了一種可以同時實現(xiàn)高電子熱導(dǎo)率和低聲子熱導(dǎo)率的材料。

    用一層覆蓋在硅晶體上的由鐵、釩、鎢和鋁元素組成的合金材料，實現(xiàn)了高達5到6的ZT值，讓ZT值比現(xiàn)有最好水平翻了倍。

    在通常情況下，這種由鐵、釩、鋁、鎢四種元素組成的合金，其結(jié)構(gòu)非常規(guī)則，例如，釩原子旁邊一定只有鐵原子，鋁原子也一樣，而兩個相鄰的同元素原子之間的距離也總是一樣。

    然而，當(dāng)科學(xué)家們把薄薄的一層這種材料，與硅材料基底相結(jié)合的時候，神奇的事情就出現(xiàn)了。

    盡管這些原子仍然維持著原有的立方體的結(jié)構(gòu)，但原子之間的相互位置卻發(fā)生了劇烈的改變。

    以前該是一個釩原子出現(xiàn)的位置，現(xiàn)在可能變成了一個鐵原子或者鋁原子；而一個鋁原子旁邊本來該是一個鐵原子，現(xiàn)在可能還是一個鋁原子，甚至是一個釩原子。

    而且，這種各個原子之間位置的改變，完全隨機，毫無規(guī)律可循。

    這種有序和無序相結(jié)合的晶體結(jié)構(gòu)，就讓材料產(chǎn)生了獨特的性質(zhì)：

    電子依然可以有自己的特殊路徑，在晶體里“自由”穿梭，使得電導(dǎo)率和電子熱導(dǎo)率不受影響；但熱量傳導(dǎo)依賴的聲子遷移卻被不規(guī)則的結(jié)構(gòu)阻隔，導(dǎo)致聲子熱導(dǎo)率大幅下降。

    這樣一來，熱端和冷端的溫度差得以維持，由此產(chǎn)生的電勢差也就不會消失。

    維也納大學(xué)團隊也就實現(xiàn)了夢寐以求的熱電材料電子熱導(dǎo)率不變、聲子熱導(dǎo)率下降，從而大幅提升ZT值到6的目標(biāo)。

    而他們的理論上，如果可以改變相關(guān)概念材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，ZT值達到20也將不再只是夢想。

    ZT值達到6，熱效率將達到12%左右，如果ZT值可以提升到20，熱效率可以和蒸汽輪機相提并論。

    而溫差發(fā)電設(shè)備和蒸汽輪機比起來，那個結(jié)構(gòu)就簡單到極點，比如上面提到的钚同位素電池，它就是溫差發(fā)電電池。

    不過材料學(xué)方面，黃豪杰不如正統(tǒng)的李想他們，他連忙向材料研究所發(fā)了一個研究課題，讓材料研究所專門研發(fā)一種ZT值為20左右的熱電材料。

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