硅锗合金温差电单偶的制备与尺寸参数的优化设计

摘要

SiGe合金材料在高温下由于化学稳定性好、机械强度高，因而适用于高温热电材料中，现已成功应用于航天温差发电器中。但是目前仍存在热电优值（即ZT值）偏低的问题，导致温差发电转化效率较低。本课题主要采用纳米复合掺杂方法来提高SiGe合金材料ZT值。理想的纳米复合掺杂技术是指向主相中掺入与主相电学性能相近的掺杂相，在保证材料具有较高电学性能的同时，由于弥散分布在主相中的纳米掺杂相对声子的输运过程产生非相干散射，从而降低合金导热率，最终提高SiGe合金热电材料的ZT值。
　　通过高温熔炼和机械球磨分别制备Si95Ge5基质和Si70Ge30B5掺杂相，按照掺杂比例（15％、25%、35%）将基质和掺杂相混合均匀后，进行等离子烧结制备P型SiGe热电合金。对烧结块体采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电镜（SEM）手段进行表征，发现等离子烧结后块体已形成具有金刚石结构的SiGe合金，且组织均匀，致密度较高。热电性能测试表明随着 Si70Ge30B5掺杂量的增加，P型SiGe热电合金的导电率和塞贝克系数变化不大，而导热系数却大幅降低，当Si70Ge30B5掺杂量为25%时，P型SiGe合金取得最大ZT值，且在温度为710 K下为0.47。
　　以相同工艺流程制备 Si95Ge5为基质、Si70Ge30P3为掺杂相（掺杂比例分别为15%、25%、35%）的N型SiGe合金，热电性能测试表明随着Si70Ge30P3掺杂量的增加，N型SiGe热电合金的导电率和塞贝克系数变化不大，而导热系数却大幅降低，当Si70Ge30P3掺杂量为35%时，N型SiGe合金取得最大ZT值，且在710 K下为0.58。
　　最后，采用掺杂Si70Ge30B5量为25%的P型SiGe合金和掺杂Si70Ge30P3量为35%的N型SiGe合金作为温差电单偶的PN结，考虑热电材料的变物性参数和接触效应的影响，通过 ANSYS有限元软件模拟温差电偶臂的尺寸参数对温差电单偶的输出功率和转换效率的影响，得到结论：温差电单偶的横截面边长为4.5 mm，臂长为2.5 mm，同时外接电阻为5.0 mΩ情况下可获得0.18 W输出功率和4.8%的转换效率。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 硅锗合金材料特性

1.3 热电材料的基本原理及表征参数

1.4 温差发电基本原理

1.5 国内外研究现状

1.6 本文的主要研究内容

第2章 热电材料的实验方法与测试

2.1 实验原材料

2.2 实验仪器

2.3 实验方法

2.4 性能的测试及表征方法

第3章 纳米复合掺杂制备P型热电合金

3.1 Si95Ge5与Si70Ge30B5的熔炼与球磨工艺

3.2 P型合金热电半导体的制备与性能表征

3.3 掺杂惰性纳米相后P型试样的热电性能

3.4 本章小结

第4章 纳米复合掺杂制备N型热电合金

4.1 Si95Ge5与Si70Ge30P3的熔炼与球磨工艺

4.2 N型合金热电半导体的制备与表征及性能测试

4.3 本章小结

第5章 温差发电电单偶的尺寸参数的优化设计

5.1 概述

5.2 ANSYS有限元分析基本过程

5.3 温差电单偶尺寸参数的优化设计

5.4 本章小结

结论

参考文献

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致谢