能量是守恒的，既不会随便产生也不会随便消失，它以辐射、物体运动、处于激发状态的原子、分子内部及分子之间的应变力等多种形式出现。基于此，能量转换的概念应运而生，即能量在数值上是相等的，可以从一种形式的能量转变成另外一种或几种形式的能量，例如电能、热能、化学能和机械能的相互转换、光能和电能的相互转换等。而这些能量的转换是通过能量转换材料和相应的技术来实现的。根据能量转换原理制备的具有特殊功能元器件的材料称为能量转换材料。依据能量转换的类型，可以把能量转换分为光电光热能量转换材料与技术、热电能量转换材料与技术、压电能量转换材料与技术材料、电致发光能量转换材料与技术、化学能-电能能量转换材料与技术和磁能-机械能能量转换材料与技术等。
博文
能量转换材料与技术
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目前，全球日益严重的能源短缺和环境污染问题，影响到人类的生存与可持续发展。为了解决这些问题，需要在开发探索清洁新能源的同时，提高传统能源的能量转换效率。其中，能量转换材料的研发与应用技术的发展是实现能量高效转化的关键环节，如收集太阳能并将其转化成为电能的太阳能电池，回收工业余热并将其发电的热电器件，以及通过清洁环保的化学反应过程产生大量电能的燃料电池技术，都可以实现不同形式能量之间的高效转换，进而提高能源的利用率，为社会产生经济效益，为民生带来诸多便利。因此，近年来，关于能量转换材料与技术的开发研究发展迅速，已成为材料、物理、能源、化学等多学科交叉研究的前沿热点之一。
我国2009年出台的《新能源产业振兴和发展规划》指出了中国新能源发展的战略，预计到2020年，中国在新能源领域的总投资将超过3万亿元。尽管投资总额大，但我国在新能源领域缺少具有自主知识产权的核心技术，产业体系的持续发展堪忧。因此，为增强自主创新能力，我国陆续在高校开设新能源相关专业，提供职业教育机会，加大人才的培养力度。然而，由于该学科在国内发展时间较短，目前尚无与能量转换材料与技术相关的、完整的、系统的总结性书籍，供本科生、研究生学习参考，因此作者组织撰写了《能量转换材料与技术》一书。内容涉及各种能量转换类型材料的原理、特性、研究进展、种类、制备方法及应用技术等。
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第1章首先进行背景介绍，阐述了能源、能量和能量转换材料的定义、原理和特性。
表1 能量的来源、转换形式及应用
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第2章主要从光电和光热转换材料入手，详细介绍其能量转换原理、特征参数、分类与制备方法，以及具体应用。其中，光电转换材料基于光电效应原理，即在高于某特定频率的电磁波照射下，某些物质内部的电子被光子激发出来而形成电流，将输入的光能转化成电能输出。根据所用材料不同，太阳能电池具体可分为硅系太阳能电池、薄膜太阳能电池、有机物太阳能电池、染料敏化太阳能电池和钙钛矿太阳能电池等。光热转换本质上是利用集热装置将太阳光辐射能集中起来并转换成为热能，供给负载使用。光热转换材料按光热领域的用途可分为集热材料、选择性吸收涂层、导热材料和储热材料。设计开发先进的光电光热能量转换材料，可以更好地实现对高储量清洁能源——太阳能的有效利用，被视为未来最具前景的能量转换材料之一。
图2 半导体光生伏特效应的工作原理
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第3章讲述了热电材料（温差电材料）的研究概况，包括热电转换效应、特征参数、分类与制备方法，以及具体应用。热电材料是一种可以直接实现电能和热能相互转换的功能材料，按照适用温度范围可分为三种：低温热电材料，如Bi₂Te₃系列；中温热电材料，如PbTe系列、方钴矿化合物、Zn4Sb3系列、SnSe等；高温热电材料，如SiGe合金、半哈斯勒合金、氧化物等。热电材料制备方法种类繁多，常用的有凝固法、粉末冶金法、溶胶-凝胶法、磁控溅射法等等。所制得的热电器件可用于热电制冷技术、热电发电技术以及测控领域，在废热回收利用和发展洁净能源方面有着巨大的应用潜力。
图3 热电发电示意图
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第4章归纳总结了压电材料的相关内容，梳理发展历程，罗列特征参数、分类和制备方法，最后介绍实际应用。基于正、负压电效应原理，压电材料可以实现机械能和电能之间的互相转换，该类材料按性质和组成组元可分为压电晶体（石英、铌酸锂等）、压电陶瓷（钛酸铅、锆钛酸铅等）、压电聚合物（聚偏氟乙烯）、压电复合材料和压电半导体（氧化锌，硫化镉等），合成方法主要有固相法（高能球磨法、冷冻干燥法等）和液相法（沉淀法、水热法等）。压电材料作为机电耦合的纽带，其应用可大致归纳为三方面：频率控制、换能及传感和发电器件。
图4 压电陶瓷的极化
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第5章主要讲述了电致发光技术，即电场作用在发光材料上，将电能直接转换为光能，并发出特定颜色的光。从发光原理角度，电致发光材料可分为高场电致发光材料和低场电致发光材料，后者的研究和应用更为广泛，特别是其中的发光二极管（LED）技术受到最广泛的关注和重视。作为替代白炽灯的新一代光源，LED具有节能环保、寿命长、光效高等一系列优点，已成为21世纪最具发展前景的高新技术产业之一。
图5 低场电致发光原理示意图
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第6章作者以新型二次电源（锂/钠离子电池、锂硫电池、超级电容器）和燃料电池、电化学电容器为主，对化学能-电能之间的能量转换做了深入探讨。其中涉及到的材料由功能来划分，主要有正极材料、负极材料、超级电容器材料和燃料电池催化剂材料等。在各种化学能-电能转换技术之中，燃料电池可直接将化学能转换为电能而不必经过热机过程，不受卡诺循环限制，能量转换率高，无噪声、无污染，随着该技术的不断成熟，有望代替传统能源发电，其商业化应用存在着广阔的发展前景。
图6 锂离子电池工作原理图
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第7章围绕磁能-机械能能量转换，探讨了以磁致伸缩材料为代表的，在外磁场（或力）的驱动下，将磁能（或机械能）转换成为机械能（或磁能）的技术。磁致伸缩材料可分为四种，即稀土金属及其合金、稀土-过渡金属间化合物、过渡金属与合金、铁氧体。不同种类的磁致伸缩材料拥有不同的制备方法，如对于Tb-Dy-Fe合金，制备出取向多晶或单晶结构是实现其优异磁致伸缩特性的关键，所以主要采用定向凝固法中的布里奇曼法、区域熔炼法和丘克拉斯基法来制备。另外，在凝固法制备过程中施加强磁场可以得到沿<111>方向生长的稀土-铁磁致伸缩材料。目前，磁致伸缩材料已经应用于精密制动器、换能器和动力输出等多个领域，成为了高新技术产业中重要的功能材料之一。
图7 不同磁场条件下Tb0.27Dy0.73Fe1.95合金纵截面金相组织
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第8章介绍了除上述几种材料之外的其他能量转换材料与技术，包括将光能转换成化学能的光催化材料、将磁能转换成热能的磁热材料，以及将相变能转换成热能的相变储热材料。
著者简介
王强
东北大学冶金学院教授、博导、材料电磁过程研究教育部重点实验室主任。于1995年和1997年分别获东北大学学士、硕士学位，2001年获日本名古屋大学工学博士学位。2004年取得博士生导师资格。曾任美国加州大学伯克利分校高级研究学者。获2014年国家杰出青年科学基金，入选国家“万人计划”第一批中青年科技创新领军人才，享受国务院颁发的政府特殊津贴。出版《强磁场材料科学》和《电磁冶金新技术》专著2部（科学出版社出版），参编国际专著3部。
《能量转换材料与技术》
王强，李国建，苑轶 等 编著
责任编辑：张淑晓，付林林
北京：科学出版社，2018.10
ISBN：978-7-03-057823-5
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内容简介
要解决传统能源面临的短缺问题，一是寻找储量丰富、可再生的清洁能源，二是提高传统能源的能量转换效率。能量转换材料的研发与应用技术的发展是提高能量转换效率的关键。《能量转换材料与技术》共 8 章，包括绪论、光电光热能量转换材料与技术、热电能量转换材料与技术、压电能量转换材料与技术、电致发光能量转换材料与技术、化学能-电能能量转换材料与技术、磁能-机械能能量转换材料与技术、其他能量转换材料与技术。
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