基于热电材料的层叠阵列型温差发电构件及其半固态粉末微成形理论与方法研究

在能源危机和温室效应日趋严重的背景下，汽车尾气余热回收及热电发电技术引起了学术界及工业界的极大兴趣。然而，现有温差发电构件存在的效率低、制造成本高等问题制约了温差发电技术的广泛应用。为此，本项目提出了一种特征结构为介观尺度的高效率、高能量密度的层叠阵列型温差发电构件，并基于半固态粉末微成形技术研究探索其低成本制造新方法。研究内容主要包括：(1)建立多因素耦合下的层叠阵列型温差发电构件的结构设计优化模型；(2)研究纳米复合功能梯度型热电臂等温差发电系统关键部件的半固态粉末微成形工艺及理论；(3)以优化系统热电转化性能为目标研究温差发电构件的层叠装配工艺；(4)研制层叠阵列型温差发电构件原理样机，并开展热电转化性能实验研究。研究成果将为我国新型汽车尾气余热发电系统的设计制造以及基于热电材料的新型能量回收系统的研制开发提供理论基础和技术储备，为落实国家新能源开发及节能减排战略提供一条新途径。

在环境污染和能源危机日益严重的今天，对热电材料和器件的研究具有重要意义。为此，本项目以热电材料和器件为研究对象，围绕热电构件成形制造、热电臂尺寸的设计与优化、功能梯度型热电臂结构设计、热电器件的集成与装配测试等关键技术，结合半固态粉末成形技术、超声能场辅助技术等领域的研究成果，完成的研究工作及取得的成果主要包括：.1）为了有效提高热电构件的热电性能，提出并发展了一种能够获得多孔材料的半固态粉末成形方法和获得纳米晶的超声能场辅助粉末微成形方法，成功制备了低热导的碲化铋和碲化铅热电块体；通过半固态粉末成形工艺引入的介观尺度（~0.1-1.0 μm）气孔使材料内部的晶格热导率显著下降，从而有效提高了热电优值。.2）研究了温差发电构件结构形式、尺寸及接触电阻对温差发电器器件性能的影响规律，并完成了温差发电构件的性能评价与拓扑结构设计优化；设计了“夹心平板阵列型”、“层叠阵列型”和“外置阵列型”等具有多种散热结构和布置形式的温差发电器。.3）研究了功能梯度型热电构件的热电本构模型，以热电材料具有温度独立性为前提，提出并发展了功能梯度型热电构件的设计与优化方法，可有效提高功能梯度型热电构件的热电转换率；课题组以Bi2Te3、PbTe热电材料构成的两段型热电臂为例，经设计和优化分析获得了PbTe材料的最优长度比例为0.56。.4）研究了热电模组的装配和测试方法。以Bi2Te3基热电臂为对象，利用Sn96.5Ag3Cu0.5的焊料，实现了热电臂与铜导片之间的焊接，并优化了Bi2Te3基热电臂与铜导片之间的焊接材料、焊接温度与焊接时间，实现了热电模组的高精度装配。同时，建立了一套热电模组性能测试平台，完成了热电模组热电性能的测试与评价。.本项目建立了面向高优值热电材料和高能量转换效率热电器件的设计、制造方法和相关理论，在高性能热电构件的设计、制造和装配等方面取得了一系列创新性研究成果，为我国高优值热电材料的制备、高效率热电器件的设计和制造提供了理论基础和技术支撑。相关研究成果已在International Journal of Plasticity，Journal of Materials Research等期刊上发表SCI期刊论文10篇，会议论文3篇；已申请发明专利19项，实用新型专利17项。