Half-Heusler中溫?zé)犭娖骷谱髋c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(yùn)的方式實(shí)現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換。目前，熱電轉(zhuǎn)換效率相對(duì)較低，以致于熱電器件的應(yīng)用價(jià)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(diǎn)。本文針對(duì)Half-Heusler(HH)中溫?zé)犭娖骷闹谱髋c輸出性能進(jìn)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(jì)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(duì)HH單偶熱電器件進(jìn)行了數(shù)值模擬。針對(duì)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(duì)熱電器件輸出性能的影響；并對(duì)器件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(duì)熱電器件的輸出性能均有明顯影響。同時(shí)，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一個(gè)基礎(chǔ)模型：電偶臂的長(zhǎng)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(dá)7.22％。
　　再次，利用ANSYS有限元軟件對(duì)分段式單偶熱電器件進(jìn)行了數(shù)值模擬。針對(duì)穩(wěn)態(tài)情況，將Bi2Te3低溫?zé)犭姴牧吓cHH中溫?zé)犭姴牧辖M合形成分段式電偶臂，主要研究了Bi2Te3的厚度對(duì)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(shí)，當(dāng)Bi2Te3的厚度為0.4mm（占整個(gè)電偶臂厚度的20%）時(shí)，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(duì)HH中溫?zé)犭娔＝M進(jìn)行了數(shù)值模擬。針對(duì)穩(wěn)態(tài)情況，并基于優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)模型，計(jì)算了71對(duì)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(dāng)熱電模組采用陶瓷環(huán)進(jìn)行密封時(shí)，超過(guò)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(gè)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?zé)犭娖骷?，探討了器件制備的釬焊工藝，并測(cè)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?zé)犭娖骷暮附?，其釬焊溫度為825℃；所制備的HH中溫?zé)犭娖骷跍夭罴s500℃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?zé)犭娖骷诘驼婵眨?.0×10-4Pa）、600℃條件