方钴矿基热电发电/隔热复合结构热-力-电耦合响应时变规律研究

Both the thermoelectric functional structure and electricity responses under complexthermo-mechanical environment is one of the research hotspots in material science and mechanics. This study concentrates on skutterudite-based thermoelectric generate and heat insulation composite structures (the following abbreviations composite structures) and aims at solving the scientific problem “what is the time-dependent regularity of the coupling responses of composite structures under unsteady thermo-mechanical boundary conditions?”. The boundary conditions of the composite structures on hypersonic flight vehicles is investigated.The analytical model of time-dependentthermo-mechanical-electro coupling response is established. On the basis of exploring the characterization approaches, the time-dependent coupling responses can be analyzed. This research can expand theapplication range of the thermoelectric functionalstructures and support the employment of thermoelectric functionalstructures on hypersonic flight vehicles. The aerodynamic heating environment can be transferred to electricity power, which realize the zero volume supply resource. Therefore, this workcan play a significant role both in theory and practice.

热电功能结构及其复杂热力环境下的电响应分析是材料学、力学等领域研究的前沿热点。本项研究以方钴矿基热电发电/隔热复合结构（以下简称复合结构）为主要研究对象，以解决“非稳态热力边界下方钴矿基热电发电/隔热复合结构热-力-电耦合响应时变规律是什么”这一基础科学问题为目标，研究高超声速飞行器上集成应用的热电发电/隔热复合结构非稳态热力边界条件，建立非稳态热力边界下复合结构热-力-电耦合响应时变特征分析模型，探索试验表征方法，分析耦合响应时变特征规律。本项研究工作能够较大程度上拓展热电功能结构的应用范围，支撑热电功能结构在高超声速飞行器上的创新应用，将飞行器气动环境热载荷转化为电能实现“零体积”电供应，在理论和工程实践上都具有重要意义。

热电功能结构及其复杂热力环境下的电响应分析是材料学、力学等领域研究的前沿热点。本项研究以方钴矿基热电发电/隔热复合结构（以下简称复合结构）为主要研究对象，以解决“非稳态热力边界下方钴矿基热电发电/隔热复合结构热-力-电耦合响应时变规律是什么”这一基础科学问题为目标，研究高超声速飞行器上集成应用的热电发电/隔热复合结构非稳态热力边界条件，建立非稳态热力边界下复合结构热-力-电耦合响应时变特征分析模型，探索试验表征方法，分析耦合响应时变特征规律。经过四年努力，本项目建立了热电发电/隔热复合结构非稳态热-电-力耦合响应分析方法；通过自研试验装置开展了比对试验，获取了热电发电/隔热复合结构非稳态热-电-力耦合响应演化规律；提出了将热电材料应用于高速飞行器多功能蒙皮设计的初步方案，通过了3000K流场环境长时间考核；利用所建立的模型和获取的实验数据，提出了将热电功能材料用于便携式充电电源系统和全时太阳能电池等的方案设想。相关成果发表EI以上学术论文6篇，申报国家发明专利2项，申报国防专利2项。实现了预期研究目标。本项研究工作较大程度上拓展了热电功能结构的应用范围，支撑热电功能结构在高速飞行器上的创新应用，将飞行器气动环境热载荷转化为电能实现“零体积”电供应，在理论和工程实践上都具有较大意义。