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方钴矿基热电器件的应力仿真研究

李俊伟  
【摘要】:热电发电器件通常在高温和大温差条件下长期服役工作,器件内部不可避免存在热应力,会造成热电臂断裂、电极脱焊等结构损伤,进而导致器件失效,因此如何抑制热应力是提高器件力学可靠性的关键。近年来,有关器件设计与集成的研究主要集中在转换效率和输出功率的提升,而对热电器件力学可靠性的研究尚不充分。本论文基于中高温方钴矿材料和碲化铋材料构建了方钴矿单级、方钴矿/碲化铋级联以及方钴矿/碲化铋分段三种典型器件的有限元仿真模型。研究了在热端800K、冷端室温的条件下,器件安装的方式、陶瓷基板构型、电极/陶瓷基板/阻挡层厚度以及热电臂截面形状/高度/间隙等器件结构因素对三种热电器件中热应力大小和分布的影响。取得的主要成果如下:1、针对方钴矿单级热电器件进行多参量力学优化,获得最小热应力,通过对比分析得到各个结构因素对应力影响的权重。结果表明,影响单级热电器件的主要因素是器件安装方式、陶瓷基板构型以及陶瓷基板和电极的厚度。经过优化,在分体式热端陶瓷基板上加载2 MPa法向压力可以使热电臂上最大应力减小90%;另外增加热端铜电极的厚度也有助于缓解热电臂应力。2、针对方钴矿/碲化铋级联热电器件进行多参量力学优化,在单级热电器件的影响因素的基础上,引入了方钴矿/碲化铋高度比因素。结果表明,影响级联热电器件的主要因素是器件安装方式和陶瓷基板/电极的厚度比。与单级器件类似,器件的安装方式依旧是最敏感的因素,将热端安装方式从固定改变为施加2 MPa的法向压力可以使最大热应力减小85%;n型方钴矿热电臂上的应力受电极与陶瓷板厚度比的影响较大,较小的陶瓷基板/电极厚度比可以有效缓解热应力。与单级器件不同的是,采用分体式陶瓷基板构型对应力缓解效果不显著;减小方钴矿/碲化铋高度比可降低n型方钴矿上的应力。3、针对方钴矿/碲化铋分段热电器件进行多参量力学优化,在级联热电器件的影响因素外,引入了阻挡层厚度因素。结果表明,影响分段热电器件的主要因素是器件安装方式、陶瓷基板构型、热电臂高度以及阻挡层厚度。与单级和级联器件类似,器件的安装方式同样对应力影响最大,将器件安装方式从冷热端全固定改为热端施加法向压力,热电臂应力大幅下降。与级联器件不同,热电臂的高度比对其应力影响达到50%,且最大应力在热电臂上的位置随其高度变化而变化;阻挡层厚度会对热应力产生一定影响,较薄的阻挡层有利于缓解热电臂的应力。


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