多晶热电材料Seebeck系数的晶粒尺寸效应研究及分段热电偶优化设计

论文摘要

热电器件以其无污染、无噪声、无磨损、体积小、安全可靠性高、热-电转化速度快和输出功率范围广等优点,深受广大学者的关注。其中,对热电器件具有重要影响的因素主要包括：热电材料的优值系数（与Seebeck系数、热导率、电导率相关）、器件几何结构、器件的制造工艺和热电器件冷热端的散热形式。那么对以上因素的研究就成了发展热电器件的重要问题。本文采用Boltzmann输运理论和商业有限元软件ANSYS对多晶块材热电材料的Seebeck系数的晶粒尺寸效应和热电器件的结构优化设计作了部分研究,得到了一些有意义的结果。首先,针对多晶块材热电材料Seebeck系数的尺寸效应,从材料的微结构角度考虑电子的晶界散射,通过求解电子的输运方程,建立了多晶块材热电材料的Seebeck系数尺寸效应的理论预测模型。进而研究了多晶块材热电材料的Seebeck系数晶粒尺寸效应,探讨了透射率、温度和平均自由程等对Seebeck系数的影响。结果表明,本文的理论模型能有效预测多晶块材热电材料的Seebeck系数的晶粒尺寸效应,且与相关实验结果具有较好的一致性。透射率、温度以及平均自由程等对Seebeck系数的晶粒尺寸效应也存在明显的影响。其次,针对热电器件的转化效率,利用ANSYS软件从器件的结构设计出发,考虑材料性能参数随温度的变化,建立了分段热电偶的有限元模型。进而分析了负载电阻、热电偶支腿长度、横截面积、分段比例以及接触电阻和接触热阻对于器件转化效率的影响。总之,通过本文对于热电材料Seebeck系数和热电器件的结构优化设计的研究,为热电材料以及器件的发展提供了相应的理论依据和设计手段。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 热电效应的历史背景及应用
• 1.2 热电效应简介
• 1.3 热电器件的主要用途
• 1.4 热电材料性能参数的理论研究进展
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 多晶热电材料Seebeck系数的晶粒尺寸效应理论研究
• 2.1 纳米材料及其性能参数尺寸效应的研究概述
• 2.2 Boltzmaan输运理论
• 2.3 多晶热电材料的Seebeck系数晶粒尺寸效应的理论模型
• 2.4 计算结果及讨论
• 2.5 本章小结
• 第三章 热电器件的有限元模拟分析
• 3.1 热电器件的研究进展
• 3.2 通用有限元分析软件ANSYS简介
• 3.3 ANSYS分析热电耦合问题简介
• 3.4 热电器件的有限元模拟
• 3.5 小结
• 第四章 结束语
• 参考文献
• 附录 在学期间发表学术论文和科研成果
• 致谢