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基于热-电耦合作用的硅基内腔可控成形研究

基于热-电耦合作用的硅基内腔可控成形研究

作者：朱伟华杭州电子科技大学

学位级别：硕士

硅基内腔结构在力学、光学和电学等方面都具备独特的性能,广泛应用于生命科学、微纳米器件等领域。当前硅基内腔结构大多采用硅-硅键合工艺、自组装等方法进行成形制备,然而上述方法均存在成形结构不可控、制造工序繁杂、优品率低等问... 详细信息

硅基内腔结构在力学、光学和电学等方面都具备独特的性能,广泛应用于生命科学、微纳米器件等领域。当前硅基内腔结构大多采用硅-硅键合工艺、自组装等方法进行成形制备,然而上述方法均存在成形结构不可控、制造工序繁杂、优品率低等问题。基于此,本论文提出了基于热-电耦合作用的硅基内腔可控成形方法,通过改变硅基初始结构参数以及电场强度来实现硅基内腔可控成形。该方法丰富了高性能微纳米器件的制造方法。本文主要从理论分析、模拟仿真以及实验研究三个方面进行硅基内腔可控成形的研究。首先,根据相场模型理论,构造出热-电耦合作用下硅基内腔可控成形的数学模型。其次,对硅基内腔成形进行模拟仿真研究,并深入研究不同热-电参数作用下的硅基内腔可控成形规律。最后,对热-电耦合作用下硅基内腔可控成形的研究进行实验分析。本文的主要研究内容如下:（1）基于相场模型理论,开展热-电耦合作用下硅基内腔可控成形的数学模型研究。首先,根据形变过程中能量最小化原理,分析硅原子扩散迁移的行为特性,阐明热-电耦合作用下硅基结构的形变机理。然后,根据热-电耦合作用,构建热-电耦合作用下表征硅基内部结构成形的相场模型。最后,结合热-电耦合作用下硅原子扩散迁移的偏微分方程,获得热-电耦合作用下硅基内腔可控成形数学模型的理论解。（2）基于热-电耦合作用,开展硅基内腔可控成形的模拟仿真研究。首先,模拟硅基内腔成形的演化过程,总结出硅基内部可形成离散型球腔的成形规律。深入研究硅基初始结构尺寸参数以及外加电场强度对硅基内腔成形的影响。分析总结上述各因素对硅基内腔成形的影响规律,为硅基内腔可控成形的制备提供理论基础。（3）针对热-电耦合作用下硅基内腔可控成形开展相应的实验研究。基于不同的硅基初始结构以及不同的电场强度分别开展实验研究。对比仿真结果与实验结果,表明在相同的硅基初始结构参数以及电场强度条件下,仿真结果与实验结果基本保持一致,从而验证热-电耦合作用下硅基内腔可控成形方法的正确性与可行性。

关键词：硅基内腔热-电耦合相场模型电场强度可控成形

晶体硅光伏幕墙热-电耦合计算模型开发及其性能研究

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晶体硅光伏幕墙热-电耦合计算模型开发及其性能研究

作者：马胜兵南京理工大学

学位级别：硕士

随着经济和科技的快速发展,能源需求日益增加,同时,建筑运行能耗占全球总能耗的30%,建筑节能势在必行;光伏幕墙是建筑节能与可再生能源综合利用的产物,一方面可以合理利用太阳能自身发电,减少了建筑对常规能源的依赖,另一方面还可以改... 详细信息

随着经济和科技的快速发展,能源需求日益增加,同时,建筑运行能耗占全球总能耗的30%,建筑节能势在必行;光伏幕墙是建筑节能与可再生能源综合利用的产物,一方面可以合理利用太阳能自身发电,减少了建筑对常规能源的依赖,另一方面还可以改善建筑围护结构的热性能,从而降低建筑在供暖空调期的冷热负荷。本文针对当前非透明光伏幕墙和半透明光伏窗在热、电性能联合计算方面研究的不足,建立了非透明晶体硅光伏幕墙和半透明晶体硅光伏窗的热-电耦合计算模型,即,将光伏组件的工作温度作为中间变量,通过建立的精确且能体现出光伏组件动态发电效率的发电模型,对光伏组件的发电量进行计算,后将此发电量用于非透明光伏幕墙或半透明光伏窗的能量平衡方程中进行联合求解,从而获得相应的光伏组件及其他各节点处温度,并由此对非透明光伏幕墙或半透明光伏窗的传热和发电模型之间进行反复的耦合计算,直至达到热-电平衡(迭代计算的前后光伏组件的工作温度小于误差值),从而实现对光伏组件发电性能和建筑围护结构传热过程进行更切合实际的计算分析;同时,通过搭建的真实尺寸的非透明晶体硅光伏幕墙和半透明晶体硅光伏窗的实验平台,对计算模型在真实气象条件下进行了长期的实验验证,确保了所建立模型的准确性。基于上述建立的计算模型,分别对非透明晶体硅光伏幕墙和半透明晶体硅光伏窗的热、电性能进行了模拟计算;结果表明,在南京地区,对于峰值功率为270 W且空气层为15 mm的非透明晶体硅光伏幕墙和峰值功率为150 W且光伏电池覆盖率(PVR)为46.3%的半透明晶体硅光伏窗来说,相比于普通墙和普通窗,在夏季,非透明晶体硅光伏幕墙和半透明晶体硅光伏窗的总得热量分别下降接近24.3%和19.5%,在冬季,非透明晶体硅光伏幕墙的总热损失量下降接近12.7%,半透明晶体硅光伏窗的总热损失量则与普通窗几乎完全一致,但总太阳得热量相比于普通窗则减少了接近19.7%;此外,非透明晶体硅光伏幕墙和半透明晶体硅光伏窗还有不错的电性能,在全年内,南向非透明晶体硅光伏幕墙和南向半透明晶体硅光伏窗的年总发电量分别可达到176.89 k Wh/m和104.49 k Wh/m。通过进一步的优化分析,发现空气层厚度和空气层流速对非透明晶体硅光伏幕墙的热性能有较大影响;其中,在夏季,当空气层厚度为10 mm时,非透明晶体硅光伏幕墙由得热而产生的空调耗电量最小;而在冬季,当空气层厚度为1 mm时,非透明晶体硅光伏幕墙由热损而产生的空调耗电量最小;而对于空气层流速来说,在夏季,非透明晶体硅光伏幕墙的得热量随着空气层流速的增加而显著下降;而在冬季,非透明晶体硅光伏幕墙的热损失量随着空气层流速的增加而显著上升,且当空气层封闭,非透明晶体硅光伏幕墙的热损失量可以达到最小,相对于普通墙体下降接近31.9%。对于半透明晶体硅光伏窗来说,半透明晶体硅光伏窗的PVR对其热性能有较大影响,且其得热量随PVR的增大而减小;而在全年内,当PVR≥0.4时,半透明晶体硅光伏窗在白天的发电量大于其通过得热或热损而产生的空调耗电量,且当PVR=0.8时,半透明晶体硅光伏窗的总耗电量最低,为-6.726 k Wh/m。对于由非透明晶体硅光伏幕墙和半透明晶体硅光伏窗组成的整个光伏建筑外立面来说,不同窗墙比(WWR)的晶体硅光伏幕墙整体的热、电性能也会出现较大差异;基于经过参数优化的非透明晶体硅光伏幕墙和半透明晶体硅光伏窗组成的晶体硅光伏幕墙整体,通过对不同窗墙比的晶体硅光伏幕墙的空调能耗、照明能耗及发电量几个因素进行分析,发现晶体硅光伏幕墙的总能耗随着窗墙比的增大而减小,当WWR=0时,晶体硅光伏幕墙总能耗最大,达到39.59 k Wh/m,当WWR=1时,晶体硅光伏幕墙总能耗最小,为27.11 k Wh/m。

关键词：非透明晶体硅光伏幕墙半透明晶体硅光伏窗热-电耦合得热热损电性能优化分析

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热-电耦合作用下微小无铅焊点力学行为研究

热-电耦合作用下微小无铅焊点力学行为研究

基于热-电耦合有限元法的隔离开关热稳定性分析

2018年全国固体力学学术会议

作者：汤文斌王绍斌周澄吴言沛龙旭西北工业大学空间电子信息技术研究院

由于含铅焊料中铅元素的有害性,含铅焊料正在逐渐被各个国家和地区法律所禁止在消费类电子产品中使用。Sn-3.0Ag-0.5Cu (wt%,简称SAC305)焊料作为一种理想的替代品,正在工业界得到越来越广泛的应用。但是,随着电子产品高性能化的进程逐... 详细信息

由于含铅焊料中铅元素的有害性,含铅焊料正在逐渐被各个国家和地区法律所禁止在消费类电子产品中使用。Sn-3.0Ag-0.5Cu (wt%,简称SAC305)焊料作为一种理想的替代品,正在工业界得到越来越广泛的应用。但是,随着电子产品高性能化的进程逐渐加快,电子封装结构正在面临着日益严峻的挑战。互联焊点作为电子封装结构中重要的组成部分,其可靠性直接关系到整个系统的稳定性。随着电子产品小型化发展趋势和三维封装的新型堆叠形式,电子封装结构中出现越来越多的微型焊点。由于尺寸效应的影响,微型焊点的力学性能可能和传统的焊点存在较大区别。本文研究了平均长度为600μm,直径为300μm的微型焊点的力学性能。具体包括热-电耦合条件下微型焊点的单轴拉伸性能、微观形貌观测等。为了模拟真实条件下焊点形状,并便于对其进行力学性能测试,我们使用了直径为300μm的直线型试件,由两根直径为300μm,长度为40mm的铜丝在刻有V形槽的钢板上通过回流焊的方式焊接而成。为了揭示微小无铅焊点的单轴拉伸性能,我们提出了一种在更小尺度下的无铅焊点本构模型,并考虑了尺寸效应实验结果的影响。所提出的本构模型基于统一的蠕变和塑性理论,对电流和温度效应进行了参数修正,采用背应力来强调无铅焊料的运动硬化效应,通过忽略损伤演化的影响可以得到更加简化的流动规则,便于实际芯片封装应用。

关键词：热-电耦合微小无铅焊点力学行为单轴拉伸本构模型

来源： cnki会议评论

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机电元件 2013年第2期33卷 47-51页

作者：尹春贺谢勇由佳欣梁慧敏翟国富哈尔滨德利亚电子科技有限责任公司黑龙江哈尔滨150036 桂林航天电子有限公司广西桂林541002 哈尔滨工业大学黑龙江哈尔滨150001

运行状态中的隔离开关由于电阻损耗发热而温度升高,极端情况下会超过允许温升,影响电力系统的工作稳定性。为了分析其工作可靠性,使用三维有限元方法建立某型号隔离开关的有限元模型,对隔离开关进行热-电耦合仿真分析,得到稳态及瞬态的... 详细信息

运行状态中的隔离开关由于电阻损耗发热而温度升高,极端情况下会超过允许温升,影响电力系统的工作稳定性。为了分析其工作可靠性,使用三维有限元方法建立某型号隔离开关的有限元模型,对隔离开关进行热-电耦合仿真分析,得到稳态及瞬态的温度分布云图与最高温升数值,现场试验结果验证了仿真分析的准确性。该方法可为产品设计提供参考,并为隔离开关可靠运行提供理论计算依据。

关键词：隔离开关热稳定性热-电耦合有限元方法

基于热—电耦合作用聚合物内部微通道稳定成形机理与试验研究

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基于热—电耦合作用聚合物内部微通道稳定成形机理与试验研究

作者：陆凯杭州电子科技大学

学位级别：硕士

聚合物内部圆形截面的微通道结构在流体、力学、生物等方面都具备优良的性能,在微电子系统、微流控设备、医疗检测等领域具有广泛的应用。目前针对聚合物内部微通道结构加工方法主要有热压、注塑成形、激光烧蚀、化学刻蚀。这些方法普... 详细信息

聚合物内部圆形截面的微通道结构在流体、力学、生物等方面都具备优良的性能,在微电子系统、微流控设备、医疗检测等领域具有广泛的应用。目前针对聚合物内部微通道结构加工方法主要有热压、注塑成形、激光烧蚀、化学刻蚀。这些方法普遍存在内通道表面质量低、成形不稳定、通道截面形状不稳定等问题。针对上述痛点问题,本文从理论分析、模拟仿真以及试验研究分别进行聚合物内通道结构稳定成形的研究。采用相场法这一微观扩散理论,作为聚合物内通道分子扩散演化的仿真模型,然后进行聚合物内通道微纳结构演化的仿真研究。最后,对热-电耦合作用下聚合物内通道稳定成形进行试验研究。提出一种在热-电耦合作用下聚合物内部微通道结构的自组装成形方法。本文的主要研究结果如下:(1)基于相场法理论,构建高温作用下聚合物内通道成形的数学模型。研究聚合物表面能驱动下微观结构的形变机理。然后,构建高温作用下聚合物分子扩散迁移的偏微分方程,求出该仿真模型的理论解,为进行聚合物分子微观结构演化的仿真研究提出理论依据。(2)基于温度场作用下聚合物分子扩散运动原理,从能量学的角度研究聚合物内通道结构的稳定成形的方法。首先,通过c语言程序对仿真数学模型进行编译运行,得到聚合物分子与时间相关、空间连续的相场变量位置数据,对位置数据进行可视化之后总结出聚合物内部微通道的成形规律。深入研究聚合物表面初始表面结构尺寸参数对聚合物内通道成形的影响。该仿真研究可为聚合物内通道结构稳定成形的试验研究提供理论指导。(3)以聚合物内通道成形过程仿真研究为基础,开展聚合物内通道成形的试验研究。采用激光烧蚀在聚合物表面产生的微槽,基于不同深宽比下的聚合物表面微槽结构,研究热-电耦合作用下聚合物的表面不同初始结构参数对内通道成形的影响规律,进行单一温度场与热-电耦合场分别作用下的成形结构对比试验。通过热-电耦合作用来实现在聚合物基底上一次性自组装成形出内部高表面质量的单通道、双通道、异形(Z形)通道结构,最终试验结果与仿真模拟结果一致。本研究所提出的热-电耦合调控聚合物内通道结构稳定成形的方法,可为微流控芯片等领域中涉及的微通道研究提供新的思路。

关键词：微通道热-电耦合相场模型稳定成形聚合物

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热—电耦合集成供能系统建模与能量优化调度

热—电耦合集成供能系统建模与能量优化调度

作者：程铭浙江大学

学位级别：硕士

我国作为世界能源大国,伴随着国内的能源生产和消费总量日益增长,存在着供给和消费方面的结构不合理、缺乏相应的市场机制、能源利用效率不高、可再生能源消纳能力低和能源可靠性等一系列的问题和挑战。保障能源安全,促进经济发展,并且... 详细信息

我国作为世界能源大国,伴随着国内的能源生产和消费总量日益增长,存在着供给和消费方面的结构不合理、缺乏相应的市场机制、能源利用效率不高、可再生能源消纳能力低和能源可靠性等一系列的问题和挑战。保障能源安全,促进经济发展,并且兑现温室气体排放的国际承诺是我国能源发展的重大战略任务。提高风机、光伏等分布式能源的渗透率和消纳率以及加强用户侧能源需求的管理是实现能源可持续发展的重要途径。除此之外,还需考虑到传统的供电、供气、供暖、供冷、供氢和电气化交通等的能源系统都是独立规划、设计和运行的,这使得能源系统之间缺乏协调互补,总体的能源利用效率降低、安全性和可靠性不强。在这样的背景下,集成上述的能源系统的综合能源系统的概念被提出。其可利用多能互补特性,从整体集成优化能源,从而提升能源的利用效率和可再生能源比例。本论文设定在包含配电网和区域集中供热系统的热-电耦合集成供能系统。在配电网层面,充分考虑风速、光照强度等环境因素所导致的可再生能源出力的波动性、随机性和间歇性,合理制定储能设备(电储能单元和热能储能单元)的充放电策略,从而提高可再生能源的消纳率。在区域集中供热系统层面,利用电热泵将电能转化而成热能来满足热负荷的需求,实现热-电耦合,进而优化系统中的热-电能量分配。本论文提出了一种考虑可再生能源出力不确定性的热-电耦合集成供能系统优化调度模型:(1)通过K-means聚类算法来获得典型的季节性可再生能源的出力曲线和电负荷曲线,以此来表征其不确定性;(2)建立区域集中供热系统模型,并利用室外温度来预测热负荷曲线;(3)在满足整体能量供需平衡和配电网潮流约束的基础上,利用实时电价建立热-电耦合集成供能系统模型,并通过算例验证其性能;(4)从能源相关指标、经济相关指标和环境相关指标三个方面对上述系统运行特性进行评价。

关键词：实时电价分布式发电储能系统热-电耦合区域集中供热系统

基于IEC安全火花试验装置的电感分断放电电极热-电耦合的数值研究

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重庆电力高等专科学校学报 2023年第6期28卷 1-7页

作者：成福群吴疆赵永秀王瑶重庆电力高等专科学校重庆400053 国网重庆综合能源服务有限公司重庆400024 西安科技大学电气与控制工程学院陕西西安710054

研究基于IEC安全火花试验装置的电感分断弧前金属液态桥的形成是研究低压、小电流感性电路分断电子产生机制及电弧形成机理的关键。考虑镉盘电极微观表面形貌,基于流体动力学模型,建立了真空环境下钨丝-镉盘电极热-电耦合的几何与数学... 详细信息

研究基于IEC安全火花试验装置的电感分断弧前金属液态桥的形成是研究低压、小电流感性电路分断电子产生机制及电弧形成机理的关键。考虑镉盘电极微观表面形貌,基于流体动力学模型,建立了真空环境下钨丝-镉盘电极热-电耦合的几何与数学模型。数值模拟了极间金属液桥的形成过程,得出了液桥的温度分布、固-液相变过程和电压特性;探究了电路串联电感、初始电流及电极初始接触压力对金属液桥形成的影响。数值模拟计算结果表明,模型最高温度出现在接触区域中心,金属液桥形变受热膨胀力与马兰格尼效应共同作用;当接触区域温度均达到镉材料的沸点时,金属液桥完全断裂,此时电极两端电压与实验测量得到的最小建弧电压相符;电路电感大小对金属液桥形成基本无影响,而增大初始电流或减小电极初始接触压力会缩短电极熔化、金属液桥蒸发及完全断裂所需时间。这为进一步探究低压、小电流感性电路分断放电电弧形成及引燃机理提供了理论指导意义。

关键词： IEC安全火花试验装置电感分断放电热-电耦合金属液桥低压小电流

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加热卷烟加热元件温度场分析及试验研究

烟草科技 2020年第11期53卷 89-96页

作者：时春鑫郑绪东吴建德李志强王程娅王汝马军昆明理工大学信息工程与自动化学院昆明市650500 云南中烟工业有限责任公司技术中心昆明市650231

为解决国内加热卷烟加热元件温度波动大、烘烤烟支口感差等问题,以一种氧化铝陶瓷为基底材料、铂基电阻浆料为导电轨迹、金属银为焊盘及引脚材料的加热元件为对象,采用COMSOL Multiphysics软件对其温度场分布特性进行分析。基于加热元... 详细信息

为解决国内加热卷烟加热元件温度波动大、烘烤烟支口感差等问题,以一种氧化铝陶瓷为基底材料、铂基电阻浆料为导电轨迹、金属银为焊盘及引脚材料的加热元件为对象,采用COMSOL Multiphysics软件对其温度场分布特性进行分析。基于加热元件的温度控制需求,设计了温度控制电路,获得温度场建模参数;根据加热元件基础物理参数及控制参数,运用多物理场有限元仿真软件COMSOL Multiphysics建立加热元件在热-电耦合作用下的三维模型,获得加热元件不同工作状态下的温度变化规律;通过搭建试验平台对仿真结果进行验证。仿真数据与试验数据对比结果表明:预热模式下,加热元件最高温度模拟值与试验值的最大误差为4.8%;恒温模式下,加热元件最高温度模拟值与试验值的最大误差为7.1%,其结果保持良好的一致性,且误差在可接受范围内,验证了该模型及仿真方法的有效性。该技术可为加热元件的研发和质量提升提供理论依据。

关键词：加热卷烟加热元件热-电耦合温度场仿真软件

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氮化镓MOCVD感应加热装置的优化设计

机械科学与技术 2017年第12期36卷 1921-1925页

作者：徐龙权刘新卫唐子涵方颂南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心南昌330047 南昌大学信息工程学院南昌330031

为了设计一款成本低、效率高的中频感应加热器样机,利用ANSYS软件对感应加热立式氮化镓MOCVD反应室建立2D模型。首先分别通过改变加热线圈与石墨基座下表面距离及线圈之间的间距,研究分析其改变对石墨盘表面温度均匀性分布的影响,热-电... 详细信息

为了设计一款成本低、效率高的中频感应加热器样机,利用ANSYS软件对感应加热立式氮化镓MOCVD反应室建立2D模型。首先分别通过改变加热线圈与石墨基座下表面距离及线圈之间的间距,研究分析其改变对石墨盘表面温度均匀性分布的影响,热-电耦合分析结果表明减小线圈和石墨之间的垂直距离及线圈之间的距离可以提高加热效率,并根据仿真结果对感应加热器的结构进行优化设计,确定加热效果较好的加热器结构。结合仿真与分析结果,制作出一台感应加热器样机。实验验证可知,石墨盘表面温度浮动在0.2%,温度分布均匀性较好,符合工艺的要求,满足生产条件。

关键词：感应加热 MOCVD ANSYS 热-电耦合优化设计