本发明属于功能材料应用领域，主要涉及一种热电转换方法。
背景技术：
随着世界范围内的能源危机出现，对能源可循环利用的研究已经进行了几十年。在能源使用过程中，40％以上都以热能的形式耗散失去。若将这部分被耗散了的热能收集并转换成电能，则可一定程度上实现了能源的循环利用。传统意义上的热电转换技术以seebeck效应为基础。seebeck效应是通过材料两端的温差实现带电粒子的宏观定向扩散，从而实现热电转换。基于seebeck效应实现热电转换的材料即为传统意义上的热电材料，理想的热电材料应具有“声子绝缘-电子导电”的特性，但是实际中获得这种材料十分困难。控制材料的电导率及热导率，是实现较大热电优值必须要考虑的问题。
另一种实现热电转换的方法是基于热释电效应，温度改变引起热释电材料极化强度的改变，从而在外电路中产生感应电流
综上所述，现有技术中的两种实现热电转换的方法，除了各自对材料本身的要求外，都需要提供一定的特殊温度环境(温度梯度或变温环境)，这在实际应用中非常不方便。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种热电转换方法，以解决现有技术中热电转换必须依赖特殊温度环境的热电转换方法具有使用局限性的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种热电转换方法，所述热电转换方法包括：
提供样品，所述样品的材料为电介质材料；
对所述样品施加作用力，使所述样品内部产生应变梯度，基于挠曲电效应及所述样品材料的电导，产生热电电流。
优选地，所述样品为外形高对称样品，所述高对称样品具有至少两条宏观对称轴。
优选地，所述高对称样品为圆片状样品或截面为长方形的平板状样品。
优选地，所述对所述样品上施加作用力，使所述样品内部产生应变梯度，基于挠曲电效应及所述样品材料的电导，产生热电电流，具体包括：
采用三点弯曲方法或悬梁方法对所述样品施加作用力，使所述样品内部产生应变梯度，基于挠曲电效应及所述样品材料的电导，产生热电电流。
优选地，所述样品为外形低对称样品或外形不对称样品，所述外形低对称样品为仅具有一条对称轴的样品。
优选地，所述低对称样品为等腰梯形台形状样品或圆锥台形状样品。
优选地，所述样品的材质为铁电材料。
优选地，所述铁电材料包括钛酸铋钠基铁电陶瓷，化学组分通式为(1-x)na1/2bi1/2tio3-xbatio3，其中，x＝0,0.04,0.2,0.5。
经由上述的技术方案可知，本发明提供的热电转换方法，基于挠曲电效应，具体包括：提供样品后，对样品施加作用力，使样品内部产生应变梯度，从而产生热电电流。本发明提供的热电转换方法基于挠曲电效应，与特殊温度环境(温度梯度或变温环境)无关，通过弯曲等方法在样品材料中产生不均匀的应变，进而产生挠曲电电场，引起样品材料的电导，产生热电电流，相对于现有技术中基于seebeck效应或热释电方法，本发明提供的热电转换方法不依赖于温度梯度或温度变化即可产生热电电流，从而能够适应更多的材料，对热电转换的温度环境要求较低，进而能够扩展热电转换的应用范围。
进一步地，由于本发明提供的热电转换方法，无需提供稳定的温度差环境，因此，在实际应用过程中，无需提供控制温差的额外系统，从而能够简化热电转换的系统，降低了热电转换系统的复杂性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的热电转换方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种对平板状样品施加作用力的结构示意图；
图3-图6为本发明实施例提供不同组分材料对应的热电流-温度曲线图；
图7为本发明实施例提供的一种对等腰梯形台样品施加作用力的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的一种对圆锥台样品施加作用力的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术部分所述，现有技术中的热电转换方法均限制了热电转换方法的使用场景和能够实现热电转换的材料的使用。
发明人发现，现有技术中出现上述问题的原因是，现有技术中的热电转换方法均依赖于特殊的温度环境，如温度梯度或变温环境，而且对材料本身的结构要求比较高。而在实际生产过程中，基于seebeck效应的热电转换需要额外的系统得到温度梯度，而基于热释电效应的热电转换适用的材料有限，从而使得热电转换的应用受限。
基于此，本发明提供一种热电转换方法，包括：
提供样品，所述样品的材料为电介质材料；
对所述样品施加作用力，使所述样品内部产生应变梯度，基于挠曲电效应及所述样品材料的电导，产生热电电流。
本发明提供的热电转换方法基于挠曲电效应，与特殊温度环境无关，通过弯曲等方法在样品材料中产生不均匀的应变，进而产生挠曲电电场，引起样品材料的电导，产生热电电流，相对于现有技术中基于seebeck效应或热释电方法，本发明提供的热电转换方法不依赖于温度梯度或温度变化即可产生热电电流，从而能够适应更多的材料，对热电转换的温度环境要求较低，进而能够扩展热电转换的应用范围。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种热电转换方法流程示意图，所述热电转换方法包括：
s101：提供样品，所述样品的材料为电介质材料；
本实施例中不限定样品的材料组分以及样品的形状，只要能够在施加作用力后，在内部产生应变梯度，进而产生热电电流的样品均可作为本实施例中的样品。
需要说明的是，材料的挠曲电系数与材料的介电常数为正相关关系，介电常数较大的材料相对于介电常数小的材料，在相同的应变梯度时能产生更大的挠曲电响应，因此，本实施例中可选的，所述样品为电介质材料，以便基于挠曲电效应，产生更强的热电电流。
s102：对所述样品施加作用力，使所述样品内部产生应变梯度，基于挠曲电效应及所述样品的电导，产生热电电流。
本实施例中在温度不变的情况下，对样品施加作用力，在样品内部产生应变梯度，进而产生热电电流。本实施例产生热电电流的原理基于挠曲电效应，挠曲电效应是材料中的一种机电耦合响应，描述了电极化与材料受到外力作用而产生的应变梯度之间的耦合，可以用下式表示：
其中p为材料受到外力作用而产生应变梯度引起的电极化强度，μ为材料的挠曲电系数(对材料本身的介电常数有正相关的依赖性)，
因此，本申请实施例中，提供样品后，只要能够使所述样品内部产生应变梯度，即可引起电极化，进而产生挠曲电电场，引起样品材料的电导，产生热电电流。
本实施例中也不限定对样品施加作用力的类型以及力的大小，可选的，所述作用力与所述样品的形状综合作用使样品内部产生应变梯度，从而产生热电电流。
本实施例中热电电流产生机理是：材料在外加作用力下产生应变梯度(即非均匀形变)，通过挠曲电效应可以在材料内部产生电场，即挠曲电场eflexo。
其中，q是由于挠曲电效应产生的电荷，c是材料的电容，h是样品的厚度。此电场会引起材料的电导，由此产生的电流密度可表达为i＝σeflexo(其中，σ为材料的电导率)，随环境温度的升高，材料内载流子浓度提高，从而可以产生更强的电流。
由于上述热电电流与材料的挠曲电系数密切相关，而铁电材料具有高的挠曲电系数，因此，本实施例中所述样品的材料优先选择铁电材料。
由于挠曲电效应描述的是不均匀应变(应变梯度)导致电极化的现象，而均匀的应变不能引起电极化。
对介电材料而言，宏观电势差的存在说明其存在宏观的电极化，它们的关系可以由公式
现有技术中的热电转换方法，需要给热电材料提供稳定的温度差环境，因此，现有技术中热电转换系统中需要设计控制温差的额外系统；而且现有技术热电转换方法的限制还来自材料本身的限制：传统热电材料中，评价热电转换性能的是热电优值zt＝s2σt/κ，其中s为seebeck系数，σ为电导率，κ为热导率。故而除了seebeck系数外，材料本身的电导率和热导率也要达到一定的配合度，而且电导率和热导率之间还有一定的正相关联系；热释电材料中，热释电系数是一个必须要考虑的参数，它是相应组分材料的本征特点，即不同组分对应不同的热释电系数。另外，对基于热释电效应的热电转换而言，使用温度的范围也限制了能使用的材料种类。
本发明实施例提供的热电转换方法相对于现有技术中的热电转换方法，具有以下优点：
1、挠曲电热电转换的方法不需要温度梯度或温度变化的环境，在均匀环境下即可实现，使得热电转换的环境需求得以简化；
2、由于均匀环境下即可实现热电转换，因此，不需要现有技术中的控制稳定温差的额外系统，简化了相应热电转换系统的复杂性；
3、能够适用于更多材料，不局限于传统热电材料。
另外，需要说明的是，本实施例中不限定具体施加作用力时采用的具体方法，将在以下实施例中给出具体操作方法。以上为本发明实施例的基本思想，下面以具体实施例说明本实施例中提供的热电转换方法的具体过程。
在本发明的一个实施例中，热电转换方法包括：
提供外形具有高对称性的样品，所述外形高对称样品为具有至少两条对称轴的样品；
本实施例中不限定所述高对称样品的具体形状，可选的，所述高对称样品可以是圆片状样品，还可以是截面为长方形的平板状样品，请参见图2所示，本实施例中以截面为长方形的平板状样品11为例进行详细说明。
通过挠曲电效应产生的挠曲电场驱动材料内载流子定向移动形成电流，进而实现热电转换的方法，可应用于铁电材料。本实施例中以钛酸铋钠基铁电陶瓷为例来表明此方法的可行性，化学组分通式为(1-x)na1/2bi1/2tio3-xbatio3(x＝0,0.04,0.2,0.5,简写为nbt,nbt4,nbt20,nbt50)。
利用传统的固相合成法制备陶瓷样品，按化学计量将一定比例的bi2o3，na2co3，baco3，tio2(分析纯)混合，加入酒精球磨12小时后烘干，在850℃保温2小时合成各自组分的粉体。然后将合成的粉体加入酒精再次球磨12小时后烘干，加入适当的粘结剂，压成长方形条状的坯体。在高温下除去坯体中的粘结剂后，放入马弗炉中于1140℃-1180℃的温度下保温2小时-4小时烧结。将烧结的陶瓷长方形棒条切成4.5mm宽，20mm长的小块样，然后打磨到约0.6mm厚，之后两端涂上银浆，于850℃中烧结30min，形成银电极。
对所述样品施加作用力，使所述样品内部产生应变梯度，产生热电电流。
本实施例中，由于样品为高对称性样品，要在高对称性样品内部产生应变梯度，也即非均匀形变，则需要选择一定的方法在样品上施加作用力，以产生内部应变梯度。
需要说明的是，本实施例中不限定所述在所述样品上施加可产生应变梯度的力具体采用的方法，可选的，可以采用三点弯曲方法或悬臂梁方法，使得均匀的样品产生弯曲，具体的如图2中所示，为三点弯曲方法，将长条形的介电材料的两端支撑，然后在样品中间施加力。在外力的作用下，长条形的介电材料会产生弯曲(即非均匀的形变)。
需要说明的是，随环境温度的升高，样品材料内载流子浓度提高，从而可以产生更强的电流，也就是说，环境温度越高，热电电流越大，为了方便获得较大的热电电流，方便热电电流的检测，本实施例中在测量过程中，还包括对样品进行升温、保温、降温，使用由静电计、电炉及电脑组成的系统在长条形样品的上下表面之间，通过银电极，测量到每个温度下的热电电流。也就是说，本实施例中的升温、保温、降温过程，仅仅是为了得到在某些温度下的热电电流数据，并不是为了产生温度变化的环境。
本实施例中将na1/2bi1/2tio3-batio3陶瓷制备成平板形样品，利用本发明提供的热电转换方法，能够在比较高的温度下测量到热电电流，如图3-图6所示。图3-图6为具有不同组分的平板状样品的热电电流与温度的变化关系，其中，图3为材质为nbt的平板状样品的热电电流，图4为材质为nbt4的平板状样品的热电电流，图5为材质为nbt20的平板状样品的热电电流，图6为材质为nbt50的平板状样品的热电电流，四个图像的横轴均为温度，纵轴为热电电流值。从图3-图6也可以看出，随着温度升高，样品材料产生了更大的热电电流，随着温度降低，样品材料内的热电电流减少。
在测试过程中，在最高温度600℃时保温了10min，保温过程中样品处于均匀的热环境中，对应的测试电流不为零，说明了挠曲电热电流的产生，不需要温度梯度或变化的温度环境。
需要说明的是，图3-图6中的实线代表将样品放置好后，在升温过程、保温过程和降温过程对所述样品施加应力，进行测试得到的热电流-温度曲线；而虚线代表仅将样品翻转，不改变测试电路其他部分情况下，在升温过程、保温过程和降温过程对所述样品施加应力，测试得到的热电流-温度曲线。
从图3-图6可以看出，挠曲电场引起了电流，实现了热电转换；而且无论样品组分如何变化，均产生了热电电流，可见实现挠曲电的热电转换方式可以适用在多种材料中，而且在环境温度较高时，产生的热电电流较大。
另外，实验中改变样品放置方向后(两次测试对应的样品端面放置方式是相反的)，所得电路中电流方向相同(均为正电流)。即测试所得的热电流与样品的放置方向无关，而决定于所受到的外应力梯度。
本实施例中对外形高对称样品施加三点弯方式的作用力，使其产生弯曲变形，从而在样品内部产生应变梯度，进而产生热电电流。通过实验证明了，在均匀环境中，而不依赖温度变化，或温度梯度，基于挠曲电效应产生了热电电流。
在本发明的另一个实施例中，热电转换方法包括：
提供外形具有低对称性的样品或不对称的样品，所述低对称样品为仅具有一条对称轴的样品；
本实施例中不限定所述低对称样品的具体形状，可选的，所述低对称样品可以是等腰梯形台形状样品，还可以是圆锥台形状样品，请参见图7和图8所示，其中图7为等腰梯形台形状的样品，图8为圆锥台形状的样品。
与上一实施例的区别在于，外形高对称形状的样品，弯曲必然造成不均匀形变，而采用正压缩时，由于形状均匀，只能产生均匀形变。
而本实施例中，由于提供的样品形状为低对称性的或非对称的，可以采用正压缩的方式在样品内产生应变梯度。如图7和图8中，在等腰梯形台样品或圆锥台样品的上底面上施加作用力，由于样品中垂直于作用力方向的各个截面的大小不同，因此，在垂直于作用力方向上各个截面上产生的应力或应变程度不同，最终呈梯度分布。
本实施例中对所述样品上施加作用力，使所述样品内部产生应变梯度，产生热电电流，具体包括：对所述样品上施加正压缩作用力，使所述样品内部产生应变梯度，产生热电电流。
最后将具有特定形状的样品放入电炉中升温，同时在样品上施加外力产生非均匀形变，也可产生由挠曲电效应和电导耦合而导致的热电电流，进而实现热电转换。其产生原理与上一实施例中的原理相同，本实施例中对此不做详细赘述。
本发明提供的热电转换方法基于挠曲电效应，与特殊温度环境无关，通过弯曲等方法在样品材料中产生不均匀的应变，进而产生挠曲电电场，引起样品材料的电导，产生热电电流，相对于现有技术中基于seebeck效应或热释电方法，本发明提供的热电转换方法不依赖于温度梯度或温度变化即可产生热电电流，从而能够适应更多的材料，对热电转换的温度环境要求较低，进而能够扩展热电转换的应用范围。
进一步地，由于本发明提供的热电转换方法，无需提供稳定的温度差环境，因此，在实际应用过程中，无需提供控制温差的额外系统，从而能够简化热电转换的系统，降低了热电转换系统的复杂性。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。