问题概述：

随着社会的进步，工业化迅猛发展，全球能源的消耗量日趋增加，持续增长的能源需求与传统不可再生能源的日渐减少之间形成了尖锐的矛盾，生存环境的恶化以及能源资源的枯竭使得人们不断寻找清洁能源以及环保材料。为了解决对不可再生能源需求的日益增加以及能源开发所引起的环境问题，新能源材料的开发已成为21世纪科学研究中的一个重要的课题。热电材料作为一种新型的能源材料，由于其特殊性质近年来逐渐成为国内外研究热点之一。热电材料是一种静态能量转化功能材料，不需要任何运动部件就可以进行热能与电能之间的相互转化，同时具有体积小、重量轻、无噪声、无损耗、无运动部件、无需维护等优点。热电材料能将热能与电能相互转化，其微观机理是固体中的载流子在温差或者电势差下定向移动，导致同种材料两端或者异种导体界面两边的载流子数量产生差异，由此形成温差或者电势差。这种效应称之为温差电效应。根据温差电效应，能够实现工业余/废热发电，且无污染物排放属于清洁能源；能够实现热电制冷，且在制冷过程中不需要发生能量的二次转换使能源利用效率高于其他传统制冷方式，无噪声、对环境无任何污染；能够实现热电-光电复合式发电，有效吸收光电转换之外的红外/紫外光谱范围的太阳能。为此，热电材料应用前景比较广阔，技术价值很高。

近年来，关于热电材料的新理论不断涌现，如：超晶格理论，电子晶体声子玻璃理论等，并取得了突破性的成就，但是热电转换效率距离人们所期望值还相距较远。着眼于热电材料的性能还比较低且性能突破缺乏新的理论指导和制备技术支撑，大幅度提高热电材料及器件的转换效率和实用性能是新能源技术一项重大需求，也是材料技术领域中前沿性课题。目前制约热电技术大规模商业应用的瓶颈是热电材料的原材料价格昂贵并含有重金属元素，同时传统的热电材料和器件的制造工艺复杂、对设备要求高、成品率低、成本很高。相比于其他热电材料，Mg2Si1-xSnx基热电材料是一类储量丰富、价格低廉、环境友好，以及具有潜在高热电性能的中低温区热电材料，具备绿色轻质低成本等其它热电材料体系不具有的独特优势，是国际上高度重视和发展的热电材料体系。自蔓延燃烧合成技术（SHS）是利用材料化学反应本身放热超快速合成制备材料的技术，最近研究发现了热电材料的自蔓延燃烧现象，为热电材料的自蔓延燃烧合成技术研究提供的新思路。

围绕热电材料的性能突破，需对新型热电材料的性能提升约束性机制、合成制备工艺方法、热电器件的集成制造技术，以及电网运行环境下热电材料和器件的输出特性等关键科学问题进行深入研究。为此，拟重点研究：

（1）高性能环境友好热电材料研究开发

研究和发展Mg2Si1-xSnx基和其它环境友好无铅热电材料新体系；研究有序超构结构和仿生等级结构等新颖微结构对电热输运影响的新机制，发现新效应；发展热电材料全尺度结构原位表征新方法和新技术，建立热电材料的新型构效关系；材料的热电性能优值ZT达到：在室温~300℃温区工作的低温热电材料平均ZT 值达到1.5~2.0，在200~500℃温区工作的中温热电材料平均ZT 值达到1.8~2.0，在500℃以上温区工作的高温热电材料平均ZT 值达到1.5。

（2）热电磁等多功能新材料探索和发现

根据“一代新材料，催生一代变革技术、支撑一代新兴产业”的指导思想，探索和发现几种具有变革性意义的前沿新材料，包括同时具有超高热电性能和磁熵变的多功能材料，同时具有优异热电性能和巨磁阻效应的多功能材料，同时具有高延展性和优异热电性能的柔性热电材料等，支撑热电/磁卡复合制冷和自供能纳微马达等变革性能源技术发展。

（3）高效热电材料和器件超快速低成本制造新技术

发展热电材料的自蔓延燃烧合成（SHS）等超快速非平衡制备新技术，研究热电材料在超快速非平衡过程中的热力学和动力学新规律和新机制，发展高效低成本复杂新颖结构热电器件自蔓延燃烧合成结合3D打印（SHS-3D）集成制造变革性新技术，实现材料-器件的一步快速低成本制造。

（4）热电材料在交变电磁场环境下的输运特性

研究热电材料在交变电磁场作用下的热电输运特性；热电材料在交变磁场作用下的的机械结构演变规律；建立热电材料强电磁场作用下热电性能表征及测试方法。

重要意义：

通过上述科学问题的研究，明确热电材料的性能约束性因素，揭示内部载流子散射机制及对热电优值的影响，为热电材料的能源转换效率提升提供新思路；阐明热电材料的制备与合成过程中的相变热力学和结构动力学问题，为高性能热电材料制备工艺实现提供新途径；探索高转换效率的热电器件集成与制造关键技术，分析热电材料和器件在交变电磁场环境中的工作特性和服役可靠性。本项目将为绿色、清洁、高效、可靠的热电材料技术研发提供科学依据，为热电材料的推广应用提供技术保障。未来将热电转换技术应用于电力系统，有效回收朗肯循环发电锅炉所产生的㶲损失或大功率电力设备所释放的废热，直接转变为可再次利用的电能资源。随着基础研究的深入和综合性能的提升，热电材料将为发展冷-热-电等多类型能源互补利用的新形态电力系统提供技术方案，有效支撑未来能源互联网建设。这不仅提升了能源综合利用效率，节约了工矿企业的大量运行成本，经济效益显著；还间接减少了碳排放和热排放，增强了经济发展的可持续性和低碳绿色化，社会效益明显。