碲化铋基热电发电器件的研究(2)

ｌ第二章文献综述……………………………………………………………………………．．４ ２．１热电转换原理…………………………………………………………………………．４ ２．１．１热电转换效应简介…………………………………………………………………４ ２．１．２热电器件工作原理及性能评价……………………………………………………５ ２．２热电材料的发展………………………………………………………………………．６ ２．３碲化铋基热电材料的研究进展………………………………………………………．８ ２．４热电器件的设计与集成………………………………………………………………．９ ２．４．１电极材料选用与接合……………………………………………………………．１０ ２．４．２热电对设计与优化………………………………………………………………．１ １２．４．３电偶臂的尺寸优化………………………………………………………………．１３ ２．４．４界面电阻与界面热阻……………………………………………………………．１４ ２．４．５温差电偶材料优值的选择………………………………………………………．１５ ２．５热电器件的研究进展…………………………………………………………………１６ ２．６热电发电技术存在的问题……………………………………………………………１７ ２．６．１发电效率…………………………………………………………………………．１８ ２．６．２可靠性问题………………………………………………………………………．１８ ２．７研究目的与研究内容…………………………………………………………………１８ 第三章实验方法和测试技术………………………………………………………………２０ ３．１引言……………………………………………………………………………………２０ ３．２碲化铋基热电材料的制备……………………………………………………………２１ ３．２．１区熔法制备碲化铋基晶棒材料…………………………………………………．２１ ３．２．２ ＳＰＳ烧结制备碲化铋基块体材料………………………………………………．．２１ 中国科学院上海硅酸盐研究所博士学位论文 碲化铋基热电发电器件的研究 ３．３碲化铋基热电元器件的制备…………………………………………………………２２ ３．３．１锡焊法……………………………………………………………………………．２２ ３．３．２ ＳＰＳ烧结法………………………………………………………………………．．２２ ３．３．３电弧喷涂法………………………………………………………………………．２２ ３．４样品的测试与表征……………………………………………………………………２４ ３．４．１体密度的测定……………………………………………………………………．２４ ３．４．２ Ｘ一射线衍射分析（ｘＲｘ））…………………………………………………………一２４ ３．４．３显微结构与相组成分析…………………………………………………………．２４ ３．４．４碲化铋基热电材料热电输运性能测量…………………………………………。

２４ ３．４．５热重分析…………………………………………………………………………．２５ ３．４．６材料力学性能测试………………………………………………………………．２６ ３．４．７界面电阻测试……………………………………………………………………．２６ ３．４．８热电元件的可靠性实验…………………………………………………………．２７ ３．４．９热电模块的输出测试……………………………………………………………一２７ 第四章Ｂｉ２Ｓｅｏ．３Ｔｅ２．７／Ａ１２０３纳米复合材料制备、微结构与性ｚ日４匕．－研究……………………２９ ４．１引言……………………………………………………………………………………２９ ４．２ Ｂｉ２Ｓｅｏ．３Ｔｅ２．７／Ａ１２０３纳米复合材料的制备……………………………………………３０ ４．３结果和讨论……………………………………………………………………………３０ ４．３．１ Ｂｉ２Ｓｅｏ．３Ｔｅ２．７／Ａ１２０３纳米复合材料显微结构分析………………………………．３０ ４ｔ３．２ Ｂｉ２Ｓｅｏ－３Ｔｅ２．７／Ａ１２０３纳米复合材料热电输运性能………………………………．３３ ４．４ Ｂｉ２Ｓｅｏ．３Ｔｅ２．７／Ａ１２０３纳米复合材料的应用……………………………………………３７ ４．５本章小结………………………………………………………………………………４０ 第五章纤维补强碲化铋基材料力学性能研究……………………………………………４２ ５．１引言……………………………………………………………………………………４２ ５．２碲化铋基热电材料力学性能研究……………………………………………………４３ ５．３ ＳｉＣ纤维增强对ｎ型碲化铋基材料力学性能和热电性能的影响…………………．４９ ５．４ ＳｉＣ纤维增强对Ｐ型碲化铋基材料力学性能和热电性能的影响…………………．５５ ５．５本章小结………………………………………………………………………………６０ 篼六章电弧喷涂法制备Ａ１／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电发电器件……………………………………６２ ６．１前言……………………………………………………………………………………６２ ＩＩ 中国科学院上海硅酸盐研究所博士学位论文 目录 ６．２电弧喷涂工艺参数的调节……………………………………………………………６３ ６．２．１喷涂距离和喷涂角度的调节……………………………………………………．．６３ ６．２．２电弧喷涂Ｍｏ参数调节…………………………………………………………．．６５ ６．２．３电弧喷涂Ａｌ参数调节……………………………………………………………６８ ６．３电弧喷涂制备Ａ１／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电元件及元件界面行为表征………………………７ｌ ６．３．１ ＡＩ／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电元件的制备…………………………………………………．．７１ ６．３．２ Ａ１／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电元件的界面行为表征………………………………………．．７２ ６．３．３ Ａ１／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电元件的界面电阻评价………………………………………．．７３ ６．３．４ Ａ１／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电元件的热稳定性……………………………………………．．７４ ６．４电弧喷涂制备Ａ１／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电器件及器件输出性能测试………………………７６ ６．４．１ Ａ１／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电器件的制备…………………………………………………．．７６ ６．４．２ Ａ１／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电器件的输出特性评价………………………………………．．７７ ６．５本章小结………………………………………………………………………………７９ 第七章电弧喷涂法制备ＡＩ／Ｃｕ／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电发电器件………………………………．．８１ ７．１前言……………………………………………………………………………………８１ ７．２电弧喷涂Ｃｕ涂层工艺参数的调节…………………………………………………．８３ ７．３电弧喷涂制备Ａｌ／Ｃｕ／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电元件及元件界面行为表征…………………．．８５ ７．３．１ Ａ１／Ｃｕ／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电元件的制备………………………………………………．８６ ７－３．２ ＡＩ／Ｃｕ／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电元件的界面行为表征……………………………………．８６ ７．３．３ ＡＩ／Ｃｕ／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电元件的界面电阻评价……………………………………．８６ ７．４电弧喷涂制备Ａ１／Ｃｕ／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电器件及器件输出性能测试…………………．．８７ ７．４．１ ＡＩ／Ｃｕ／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电器件的制备………………………………………………．８７ ７．４．２ Ａ１／Ｃｕ／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电器件的输出特性评价……………………………………．８８ ７．４．３ ＡＩ／Ｃｕ／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３与Ａｌ／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电器件的比较……………………………９０ ７．５本章小结………………………………………………………………………………９１ 第八章电弧喷涂器件的可靠性评价………………………………………………………９３ ８．１前言……………………………………………………………………………………９３ ８．２ ＡＩ／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电器件的可靠性评价………………………………………………．９３ ８．２．１ Ａ１／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电器件的高温时效实验………………………………………．．９３ 中国科学院上海硅酸盐研究所博士学位论文 ＩＩＩ 碲化铋基热电发电器件的研究 Ａ１／ｌＶｌｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电器件的热循环实验…………………………………………．．９８８．３ Ａ１／Ｃｕ／Ｍｏ／Ｂｉ２Ｔｅ３热电器件的可靠性评价…………………………………………．１００ ８．４本章小结……………………………………………………………………………．１０３ 第九章碲化铋基热电发电元器件新中间层材料的探索………………………………．．１０５ ９．１引言…………………………………………………………………………………．１０５ ９．２ Ｂｉ２Ｔｅ３／Ｎｉ／ＳｒＹＣｕ热电元件界面行为的研究………………………………………一１０６ Ｂｉ２ＴｅｆｌＡｌ热电元件…………………………………………………………………。

１０８９．４ ＢｉＳｂＴｅ／Ｓｂ／电极热电元件的界面行为研究………………………………………．．１１０ ９．４．１ Ｐ型ＢｉＳｂＴｅ／Ｓｂ／ＢｉＳｂＴｅ热电接头界面行为研究………………………………１１０ ９．４．２ ｎ型ＢｉＳｅＴｅ／Ｓｂ／ＢｉＳｅＴｅ热电接头界面行为研究………………………………１ １７ ９．４．３ ＢｉＳｂＴｅ／Ｓｂ／Ａ１热电元件制备及界面行为研究…………………………………１ １９９．４．４ ＢｉＳｂＴｅ／Ｓｂ／Ａｇ／Ｃｕ热电元件制备及界面行为研究……………………………．１２０ ９．５本章小结……………………………………………………………………………．１２２ 第十章总结论……………………………………………………………………………．．１２４ 参考文献……………………………………………………………………………………１２６ 附录一：博士期间发表论文及专利………………………………………………………１３８ 附录二作者简介…………………………………………………………………………一１４０ ＩＶ 中国科学院上海硅酸盐研究所博士学位论文 ；一章前言 第一章前言 当前，伴随工业全球化出现的环境恶化和能源危机正威胁着人类的稳定发展，需要 对绿色能源技术的发展给予更多地关注和支持。

美国能源部（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆＥｎｅｒｇｙ，简 称ＤＯＥ）下属能源信息管理局ｆＥｎｅｒｇｙ ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＡｄｍｉｎｉｓｔｒａｔｉｏｎ，简称ＥＬｋ）发布了２０１２ 年国际能源展望ｒＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｏｕｔｌｏｏｋ ２０１２，简称ＩＥＯ ２０１２）。根据ＥＬｋ的统计 预测数据，尽管经历了经济危机的影响，在未来２０年中．亚洲的非经合组织国家未来 对能源仍呈现出最为强劲的需求态势。预计到２０３５年将在２００８年的水平上增长１１７％， 其中又以中国的增长最为明显（图１１。化石和矿物燃料的使用对环境的影响加速导致了 世界范围内气候的不断恶化，各神气相灾害频发，引起了全世界的强烈关注．各国政府 正在不断加大对可再生能源的投入ｆ图２）１１Ｉ。温差发电技术是一种固态能量转换方式，能 够直接将热能转化为电能。具有无运动部件、体积小、重量轻、移动方便和可靠性高等 特点，是绿色环保的发电技术，近年来受到了越来越多的关注。 历史 预测 －缝合ｍ蛾墨赢Ｉｇｇｏ ２０００ ２００８ ２０１５ ２０笛 ２０３５ 单位千万亿Ｂｔｕ 来源：美匿能源信息暑 １９９０．２０３５年全球能源消耗情况Ｆｉｇｕｒｅｉ Ｈｉｓｔｏｇｒａｍｏｆｇｌｏｂａｌ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｉｎｌ９９０－２０３５ ８２１年Ｓｅｅｂｅｃｋ效应被发现以来，温差发电技术的发展已经经历了近两个世纪。