PbTe基温差发电器及其半固态粉末微成形工艺研究

摘要

本学位论文结合国家自然科学基金项目“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”（资助号:51175460），以PbTe基温差发电器作为研究对象，开展了半固态粉末微成形工艺研究。首先，建立了温差发电单元的热电转化理论，对PbTe基单元的热电转化性能进行了优化研究;其次，分析了半固态粉末微成形工艺的可行性，针对制造温差发电单元中的PbTe基热电臂，进行了可行性验证，还设计了一种用于双向压制的半固态金属粉末成形装置;然后，对PbTe基热电臂的半固态粉末微成形工艺进行了实验研究，详细研究了不同工艺参数对结果的影响规律;再次，将该工艺制造出来的热电臂进行了热电性能测试，并研究了相关工艺参数对热电性能的影响规律;最后，设计了三种阵列型温差发电器，建立了温差发电器的热电转化理论，并进行热电转化性能分析。
　　第1章，阐述了本学位论文的研究背景与意义，详细介绍了当前国内外热电材料和温差发电器的研究现状，以及热电臂制造工艺的研究现状，并在此基础上，提出了论文的主要研究内容。
　　第2章，根据温差发电基本原理，建立了PbTe基温差发电单元的热电转化理论模型;基于热电转化理论模型设计并优化了温差发电单元。
　　第3章，首先综述了半固态粉末微成形技术的研究现状，设计了该技术的工艺流程;其次，通过实验进行了PbTe基热电臂的半固态粉末微成形工艺可行性研究;最后，从提高成形零件的性能和质量等角度考虑，设计了可以用于双向压制的半固态粉末微成形系统。
　　第4章，详细介绍了PbTe基热电臂的半固态粉末微成形实验方案，进行了实验研究;分析了不同工艺参数对半固态粉末微成形的影响规律，研究的工艺参数主要包括:成形温度、成形压力、保温时间、保压时间、模具润滑情况、粉末粒度组成、热电臂的高径比。
　　第5章，首先介绍了用于热电性能测试的PbTe基热电臂的制造方法与结果;其次，介绍热电性能测试的原理以及测试方法，主要测试其热导率、电导率和Seebeck系数;最后，对测试结果进行分析，研究相关工艺参数对热电性能的影响规律，为设计与优化半固态粉末微成形工艺提供依据，进而探索制造出高性能热电臂的工艺方法。
　　第6章，设计了三种阵列型温差发电器，分别是平板阵列型、环形阵列型和层叠阵列型;将阵列型温差发电器内部的温差发电模块进行简化，建立其热电转化理论模型，主要研究了温差、接触电阻、接触热阻、热电臂直径以及相邻两个热电臂间距等因素对PbTe基温差发电器热电转化性能的影响规律。
　　第7章，总结了论文的主要研究工作，并展望了未来的研究工作。

目录

声明

摘要

致谢

1 绪论

1．1 论文研究的背景与意义

1．2 热电材料以及温差发电器的研究现状

1．2．1 热电材料的研究现状

1．2．2 温差发电器的研究现状

1．2．3 目前有待深入研究的问题

1．3 热电臂制造工艺的研究现状

1．3．1 热电材料制造工艺的研究现状

1．3．2 热电臂制造工艺的研究现状

1．3．3 目前有待深入研究的问题

1．4 论文主要研究内容与框架

1．5 本章小结

2 PbTe基温差发电单元的设计与优化研究

2．1 温差发电的基本原理

2．2 温差发电单元的热电转化理论建模

2．3 PeTe基温差发电单元的设计与优化

2．4 本章小结

3 PbTe基热电臂的半固态粉末微成形工艺可行性研究

3．1 半固态粉末微成形技术的研究现状

3．2 半固态粉末微成形工艺流程设计

3．3 PbTe基热电臂的半固态粉末微成形可行性实验

3．3．1 单向压制成形装置的设计、制造与实验系统的搭建

3．3．2 PbTe基热电臂成形实验及结果

3．4 双向压制的半固态粉末微成形系统的设计

3．5 本章小结

4 PbTe基热电臂的半固态粉末微成形工艺参数影响规律研究

4．1 PbTe基热电臂的半固态粉末微成形实验方案

4．2 工艺参数对半固态粉末微成形的影响规律分析

4．2．1 成形温度的影响规律分析

4．2．2 成形压力的影响规律分析

4．2．3 保温时间的影响规律分析

4．2．4 模具润滑情况的影响规律分析

4．2．5 保压时间的影响规律分析

4．2．6 粉末粒度组成的影响规律分析

4．2．7 热电臂高径比影响规律分析

4．3 本章小结

5 PbTe基热电臂的热电性能测试实验研究

5．1 PbTe基热电臂的制造

5．2 PbTe基热电臂的热电性能测试原理

5．3 PbTe基热电臂的热电性能测试结果与分析

5．4 本章小结

6 阵列型温差发电器的设计与热电转化研究

6．1 阵列型温差发电器的设计

6．1．1 平板阵列型温差发电器的设计

6．1．2 环形阵列型温差发电器的设计

6．1．3 层叠阵列型温差发电器的设计

6．2 PbTe基阵列型温差发电器的热电转化研究

6．3 本章小结

7 总结与展望

7．1 主要结论

7．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目及获得的科研成果