柔性热电器件非致密性接触热损失分析与性能优化

作     者：蒋中一 

作者单位：华北电力大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：张锴;孟境辉;李丽锋

授予年度：2023年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：柔性热电 弯曲 热损失 数值模拟 输出性能 

摘      要：随着智能可穿戴设备的普及,传统电池供电方式已成为制约其发展的主要障碍。柔性热电器件因其清洁、稳定性高、无需频繁更换等优点,可直接将人体热能转化为电能,被认为是最具潜力的智能可穿戴设备供电方式。柔性热电器件主要应用场景为弯曲表面,存在输出功率低、柔性不足等问题。因此,有必要对柔性热电器件在弯曲状态下的热损失与输出性能展开研究。本论文采用数值模拟的方法,对柔性热电器件的基础性能、非致密接触热损失和性能强化等方面展开研究工作。首先,针对应用于弯曲热源的柔性热电器件,建立了具有柔性封装的碲化铋基热电器件三维数值模型,研究其弯曲状态下的基础性能。探讨弯曲状态下边界条件、曲率半径以及填充因子对器件输出性能的影响。表明对流条件下减小曲率半径可提升器件输出性能。其次,分析了柔性热电器件在弯曲状态下可能存在的非致密接触状况。揭示非致密接触孔隙结构和位置,以及孔隙内传热方式对柔性热电器件性能的影响规律。结果表明,孔隙最大可导致10-12 K左右的温降,造成的性能损失可达50.1%。相较于孔隙在热电腿下和孔隙长度,孔隙出现在填充下和孔隙高度对器件输出性能的影响较小。研究同时发现,采用热界面材料、增强孔隙内的热对流和热辐射,均可以减小孔隙的热损失,其中采用热界面材料效果最佳,热对流次之。最后,考察了柔性材料和冷端散热器对器件性能的影响规律。结果表明,采用热导率较低的多孔聚二甲基硅氧烷柔性封装可提升器件输出达6.9%;采用更薄、热导率更高的柔性基底可以减小器件内部热阻,并增强器件的输出性能。通过采用冷端散热器可以明显降低冷端热阻,增大热电两端实际温差,其中采用泡沫铜加相变散热器结构提升效果最佳,且冷热两端温差越大,提升效果越明显。而辐射制冷膜在较小温差下即可大幅提升器件输出性能。且针对散热器结构和热电腿几何进行了优化设计,以最大化器件的输出性能。设计的新型散热器结构较常规结构提升器件输出达14.1%。