Half-Heusler中溫熱電器件制作與性能研究.pdf

1、熱電器件是一種綠色的能量轉(zhuǎn)換裝置，它利用熱電材料的熱電效應(yīng)，以載流子（電子、空穴）輸運的方式實現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換。目前，熱電轉(zhuǎn)換效率相對較低，以致于熱電器件的應(yīng)用價值受到極大的限制。如何提高熱電轉(zhuǎn)換效率已經(jīng)成為熱電領(lǐng)域的研究熱點。本文針對Half-Heusler(HH)中溫熱電器件的制作與輸出性能進行了研究，希望為改善熱電器件的性能提供參考。
　　首先，基于熱電理論和Galerkin有限元方法，分別建立了適用于小溫差和大溫差條

2、件的熱電耦合的計算模型，為深入研究熱電器件的輸出性能提供了理論基礎(chǔ)。
　　其次，利用ANSYS有限元軟件對HH單偶熱電器件進行了數(shù)值模擬。針對穩(wěn)態(tài)情況，主要研究了電偶臂幾何尺寸、陶瓷基板厚度及熱源溫度對熱電器件輸出性能的影響；并對器件的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計，給出了部分幾何參數(shù)的最優(yōu)值。研究結(jié)果表明，電偶臂幾何尺寸、陶瓷基板厚度和熱源溫度對熱電器件的輸出性能均有明顯影響。同時，優(yōu)化設(shè)計了一個基礎(chǔ)模型：電偶臂的長寬高均為2mm，陶瓷基板

3、的厚度為0.7mm，熱源溫度為600℃，它的最大轉(zhuǎn)換效率可達7.22％。
　　再次，利用ANSYS有限元軟件對分段式單偶熱電器件進行了數(shù)值模擬。針對穩(wěn)態(tài)情況，將Bi2Te3低溫熱電材料與HH中溫熱電材料組合形成分段式電偶臂，主要研究了Bi2Te3的厚度對分段式單偶熱電器件輸出性能的影響。研究結(jié)果表明，分段式熱電器件較單一材料熱電器件能夠表現(xiàn)出更好的輸出性能。同時，當Bi2Te3的厚度為0.4mm（占整個電偶臂厚度的20%）時，分段

4、式熱電器件的最大轉(zhuǎn)換效率較單一材料熱電器件的提高了40%。
　　然后，利用COMSOL Multiphysics有限元軟件對HH中溫熱電模組進行了數(shù)值模擬。針對穩(wěn)態(tài)情況，并基于優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)模型，計算了71對單偶熱電器件構(gòu)成的熱電模組在封裝狀態(tài)下的輸出性能。研究結(jié)果表明，熱電模組在500℃溫差下獲得了13V/48 W的電輸出。但是，當熱電模組采用陶瓷環(huán)進行密封時，超過70%的熱量經(jīng)由陶瓷環(huán)而傳導(dǎo)到模組冷端，導(dǎo)致整個模組的轉(zhuǎn)換效率只

5、有2.7%。
　　最后，以Ag72Cu焊料作為填充焊料制作了HH中溫熱電器件，探討了器件制備的釬焊工藝，并測試了器件的伏安特性，研究了不同工作條件下器件的老化情況及接觸電阻。研究結(jié)果表明，Ag72Cu焊料可以用于HH中溫熱電器件的焊接，其釬焊溫度為825℃；所制備的HH中溫熱電器件在溫差約500℃的條件下，獲得了約為0.11V/0.46 W的電輸出，且輸出性能較為穩(wěn)定；HH中溫熱電器件在低真空（5.0×10-4Pa）、600℃條件