液态镓基热电偶的热电特性分析

以下介绍液态镓和另外几种热电极材料分别构成的热电偶［4］，在一定温度范围内对其进行了原理性实验，并探索了氧化效应对其热电特性的影响，从而得到对其热电特性的定量认识，以期为其实际应用提供基础性数据。使用纯度为99.99%的镓和镓墨水作为样品，康铜、两种钨铼合金（WRe5和WRe26）以及镓铟合金（GaIn21.5）作为配对金属。

图13.2是液态镓与四种配对金属材料组成的热电偶的电压温差曲线［3］。在实验温度范围内，所有热电偶都呈现出明显的线性特性，但由于各种配对材料的绝对热电势率不同，导致曲线斜率（即平均热电势率SAB）相差很大。曲线拟合得到镓康铜热电偶的平均热电势率为47.64 μV/℃，这一数值与常用的丝状热电偶非常相近，只比T型热电偶的SAB（51μV/℃）略小，但比K型热电偶的SAB（41 μV/℃）大。相比之下，Ga-WRe26和Ga-GaIn21.5热电偶的SAB相对较小，分别为1.27 μV/℃和0.11 μV/℃。可以得出如下结论：镓康铜热电偶的敏感性更强。主要原因在于镓与康铜的绝对热电势率值相差较大，而镓与WRe26的绝对热电势率值相差较小，镓和GaIn21.5的绝对热电势率值则非常接近。

图13.2　镓及其配对金属的热电势与温差的关系［3］(www.xing528.com)

为实现直写操作，需要对镓和镓铟合金进行微量氧化处理。而微量氧化物的存在是否会对这些液态金属与其他配对金属构成的热电偶的热电特性产生影响，有必要进一步研究。于是选取镓墨水和镓铟合金墨水作为样品，重复上述实验。结果发现，当与固态金属配对时，对液态镓添加微量氧化物前后热电偶的SAB几乎完全相同，而液态镓与液态镓铟构成的热电偶在添加微量氧化物前后，其SAB却出现明显区别。图13.3为添加微量氧化物前后热电偶的热电势温差曲线［3］，对前者选取Ga-WRe26热电偶作为代表，与Ga-GaIn21.5热电偶进行对比。我们仍然可用热电极材料的绝对热电势率大小来对上述现象进行解释。当镓与固态金属构成热电偶时，这些固态金属的绝对热电势率比镓的绝对热电势率大得多或小得多，所以镓的绝对热电势率的微量变化对于SAB来说影响很小，SAB主要取决于固态金属的绝对热电势率。所以，在添加微量氧化物导致镓的绝对热电势率发生微小变化时，热电偶的SAB变化并不明显。但当Ga与GaIn21.5构成热电偶时，微量氧化物的存在使得热电势温差曲线的斜率SAB增加了27%。可能的解释是，当添加微量氧化物后，Ga和GaIn21.5的热电势率都发生了微小变化，但由于二者本身数值极相近，所以SAB表现出非常明显的变化。

图13.3　对镓改性前后镓基热电偶的热电势率变化趋势［3］

a.Ga-WRe26热电偶；b.Ga-GaIn21.5热电偶。