Yb_(0.3)Co_4Sb_(12)/Mo-Cu热电元件的界面结构与界面电阻

通过放电等离子烧结(SPS)实现阻挡层Ti-Al、过渡焊接层Ni与热电臂Yb0.3Co4Sb12的一体化烧结,使用Ag-Cu-Zn共晶合金完成热电元件Yb0.3Co4Sb12/Ti-Al/Ni与Mo-Cu电极的钎焊连接。扫描电镜(SEM)显示出Yb0.3Co4Sb12/Ti-Al/Ni/Ag-Cu-Zn/Mo-Cu接头中各界面结合良好,无裂纹,成分分析发现Yb0.3Co4Sb12/Ti-Al界面存在Al Co、TiCo Sb及Ti Sb2等金属间化合物(IMC)。500℃下等温时效30 d后,Yb0.3Co4Sb12/Ti-Al界面处的金属间化合物厚度无明显变化;Ag-Cu-Zn/Ni界面处Cu、Zn扩散趋于稳定,Cu-Zn扩散层厚度达到约40μm。界面接触电阻测试结果表明,等温时效前后Yb0.3Co4Sb12/Ti-Al/Ni/Ag-Cu-Zn/Mo-Cu元件的界面接触电阻率均低于10μΩ·cm2。

热电元件性能测试系统的电路设计

由于材料不稳定，热电元件须由测试系统完成性能筛选。介绍的热电元件测试系统用0．01mm的激光小光斑，在4耐的元件表面进行400个点的扫描，将元件电信号输入计算机进行性能分析。该测试系统的第一个关键技术是：设计一个每步行程为0．005mm，扫描点距为0．1mm的二维扫描平台小住移精密控制电路。另一方面，元件输出信号极为微弱，只有1-100μVpp，必须有高增益的放大电路，将输出信号放大到后端AZD电路所能接受的范围（0～10V）内，并避免干扰造成信号失真，这是系统的另一关键技术。就上述2个技术问题作详细介绍和分析，成功地解决了上述问题，并经实际使用取得很好的效果。

单臂热电元件的电性能测试方法比较研究

在模拟工况下研究了小功率单臂热电元件的电性能测试方法,分别采用改进恒流源法、伏安法和标准电阻法对N型Ca0.9Ce0.1MnO3单臂热电元件进行了测试分析。结果表明:当温差较小时,改进恒流源法能够精确测量热电元件的性能;伏安法适合较大输出功率的测试场合;标准电阻法的适用范围较广,几乎不受元件输出功率限制且具有较高的测试精度和测试效率,可用于商业测试。

倾斜结构热电元件的多物理场耦合研究

为了提高热电元件的工作性能,在材料用量不变的前提下,提出了新型倾斜结构的热电元件。以常规的垂直型热电元件为参考,采用数值模拟的方法,通过控制热端温度、电流和冷热端温差等参量,对倾斜结构热电元件进行了多物理场耦合研究,重点讨论了倾斜角度对元件制冷性能的影响。结果表明:倾斜角度越大,热电元件冷端温度越低;在小功率条件下,制冷量和制冷系数随倾斜角度的增大而增大;最佳倾角范围是15°~30°;倾斜结构存在场强突变现象;倾斜结构更适用于微小型低功耗热电制冷设备。

基于Matlab的单臂热电元件性能测试系统设计

小功率单臂热电元件是介于热电材料和器件之间的过渡元件,其性能参数既可以表征热电材料的性能,也可以适当表征热电器件的性能,因而构建工况条件下单臂热电元件测试系统有着重要的意义。采用台式万用表、双通道温度表及工控板实现了仪器与电脑可控通信,并采用Matlab进行上位机软件设计实现系统的自动测试功能。利用Matlab高效的数据处理能力极易计算得到所需数据。在工况条件下测试了用CaMnO3热电材料制成的单臂热电元件的性能。通过数据分析和处理,既得到表征材料性能的参数,也得到了表征器件性能的参数,从而实现了材料和器件的综合性能测试。

基于微/纳尺度冷却扩展热电元件的制冷极限(英文)

提出一种借助于在热电冷却器热端引入微尺度冷却,以提高其制冷性能参数的新方法,并建立了相应的理论模型来刻画该过程,并在此基础上对各类有助于提高制冷性能的潜在途径进行了参数化研究。结果表明,热电臂中存在一个最佳冷却长度,可在其冷热端实现最大的温度差。讨论了将该方法在低温环境及其他几类特殊场合的应用,并分析了加工该结构的相关问题。与通过改进材料来提高制冷性能的方法相比,该方法可在材料性能已趋极限时,提供一种新的物理途径用以强化热电冷却元件制冷性能。

新型结构热电元件的多物理场耦合研究

为了改善热电元件的工作性能,提出了两种新型结构的热电元件,分别是半倾斜型和双倾斜型,倾斜角度57.99°。参考传统的垂直型热电元件,采用数值模拟的方法,通过控制电流、热端温度和冷热端温差等参量,对三种结构的热电元件进行了温度场、电场耦合分析。结果显示:双倾斜型电热元件能够实现最低的冷端温度,且随着电流的增大,不同结构冷端温度的差值先增大后减小;在小功率条件下,双倾斜型电热元件制冷量最大;双倾斜结构能够达到最高的制冷系数,但在大功率条件下制冷系数却最低;倾角为钝角处存在场强突变现象;最大电流密度均出现在不与半导体接触的铜片区域中;双倾斜结构更适用于微小型低功耗热电设备。

Fe/Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_(3)热电元件高温稳定性研究

热电元件的界面高温稳定性是决定热电器件服役性能和应用前景的重要因素,而阻挡层和热电材料之间的界面扩散和界面电阻则是评价热电元件高温稳定性的主要标准。为了进一步提升P型碲化铋热电器件的界面稳定性,本研究采用高通量筛选的方法选定适用于P型碲化铋的Fe阻挡层材料。通过一步烧结的方法制备了Fe/P-BT的热电元件,并系统研究了高温加速老化实验下的Fe/P-BT的界面微观结构的演变和界面电阻率的稳定性。在老化过程中,Fe/P-BT的界面连接良好且Fe-Sb-Te的三元扩散层的成分基本不变。扩散层厚度与时间的平方根成线性关系,生长激活能为199.6 kJ/mol。Fe/P-BT的界面电阻率较小且随着老化时间延长缓慢增大,在350℃老化16 d后仍然低于10μΩ·cm^(2)。基于界面扩散动力学的寿命预测表明Fe可以用作Bi_(0.5)Sb_(1.5)Te_(3)热电元件的阻挡层材料。

微型热电制冷器中半导体热电元件热电冷却过程的建模与仿真研究

全球精密的航空航天设备、家用电器设备等微电子热管理系统控制元件的有效散热都体现了微型热电制冷器(Thermoelectric Cooler,TEC)的重要作用。基于有限元多物理场仿真软件对TEC的热电冷却过程及半导体热电元件工作过程中的Peltier效应进行模拟仿真。研究表明:TEC的电功率与电流呈正比关系,两端的陶瓷基板温度受电流的影响,且工作电流为3.2~3.4 A(工作电流范围为0.4~3.6 A)时有最大温差;电流在Bi_(2)Te_(3)半导体热电元件循环时会出现Peltier冷却效应,半导体元件的连接点(P-N结)处会产生50 V的电压,最低温度为60.9 K。该研究内容对微型热电制冷器及其热电元件在电子器件热管理中的应用、设计和优化具有较高的参考价值和指导意义。

MA／SPS法制取铁硅系热电元件

β-FeSi2是用地壳中大量存在的硅和铁为原料制得的高温热电材料，采用放电等离子烧结(SPS)法即使对难烧结材料也能相当快速简便地制得烧结体。为了进一步改进SPS工艺，日本信州大学机械学院研究了SPS工艺与机械合金化工艺相结合的技术MA-SPS法，制取Fe-Si系热电材料的效果。

美国MIT等开发出100℃时ZT指数达1．4高效热电元件

近日，美国麻省理工学院（MIT）、美国波土顿学院、中国南京大学以及美国GMZ Energy公司联合开发出了100℃时ZT指数达1．4的高效热电元件。

半导体热电发电元件的优化分析

半导体热发电元件的输出功率与转换效率主要由热电材料热电参数决定;对热电参数的温度特性进行研究,可为热电材料应用研究提供理论基础。文中对热电元件的优化设计进行了仿真研究,充分考虑了温度对热电元件性能的影响,在热电仿真模型的基础上,利用温度相关模型求解热电元件的温度分布、输出功率与转换效率,以此对热电参数的温度特性进行详细的分析,并结合热电效应进行阐述。研究结果表明,热电仿真模型若不引入与温度相关的热电参数在热电性能预测和趋势预测方面均有欠缺;而引入与温度相关的热电参数后,模型求解的结果与实际情况相符,更能反映热电元件的实际规律。同时还发现了碲化铋热电元件转换效率及输出功率的最佳温差区间。此外,在与温度相关的热电参数中,不同的参数对输出功率、转换效率和温度分布的影响程度均有所不同。

日本开发印刷热电元件

日本湘南工科大学的杉原淳教授等人开发了一种制作薄膜状热电元件的新方法，即在印刷线路板用的聚酯或聚酰亚胺的柔性基板上印刷热电材料，然后进行150℃低温硬化。最近将生产样品。

钨铼热电偶元件小型化技术研究

本文研究采用电泳涂层法制作小型钨铼热电偶高温测温元件的可能性和工艺过程。研制的热电偶元件外径φ≤１．２ｍｍ，测温温度ｔ≥１８００℃。全面进行了元件的性能检测，包括热电性能、抗热冲击性能、稳定性能和时间响应性能等，并在模拟宇航和核场条件下进行了实际温度测量。此外，作为钨铼热电偶用于高技术领域的一项基础性研究，对高温热电偶制作过程中的材料选配和制作工艺等问题进行了探讨。

热电阻元件故障原因分析及对策

1前言 天荒坪抽水蓄能电厂采用的热电阻(RTD)均为相应设备的配套元件,由外方提供,投产以来运行情况一直不太稳定,故障率较高.从表1的统计资料表明:自1999年元月至2001年6月,全厂因RTD误动引起机组运行故障(指机组启动失败、跳机、转换失败以及停机失败)达18次,占设备全部故障的2.7%,故障性质恶劣,造成带负荷跳机14次,启停失败4次,给电厂安全生产和设备稳定运行带来了极大的隐患.为此分析RTD故障原因并提出相应的解决办法十分必要.

新型热电材料β-Zn_4Sb_3的电学性能

采用真空熔炼和烧结的方法制备了新型热电材料尽β－Ｚｎ４Ｓｂ３。Ｘ射线衍射分析表明样品为单相。２种样品从室温到７２３Ｋ温度范围内的电学性能测量表明，β－Ｚｎ４Ｓｂ３在５００Ｋ～６５０Ｋ时具有较高的功率因子，真空熔炼样品的性能要优于烧结样品，其功率因子在 ６２３Ｋ时达到最大值 ３．９μＷ．ｃｍ－１．Ｋ－２。结果表明，β－Ｚｎ４Ｓｂ３在热电转换领域有潜在的应用前景。

脉冲方波驱动强化热电制冷的瞬态特性

采用有限差分法对脉冲电压驱动下的瞬态热电效应及其动态特性过程进行了理论分析,探索了非稳态工况下帕尔帖效应、焦耳热效应与傅里叶导热效应之间的耦合关系及其关键制约因素对制冷性能的影响规律,进而探讨了脉冲驱动强化热电制冷性能的作用机理。分析结果得到,在合理电压域值内采用主动控制方法,对热电模块周期性施加数倍于稳态工况理想电压的脉冲突变电压,有益于充分利用帕尔贴制冷效应而推迟出现以焦耳热和傅里叶热耗散形式为主的内部热积聚对热电模块冷端引起的负效应,并能瞬态实现冷端面的制冷强化作用和最大程度实现输入电能的有效转换。该结论不仅为进一步提出脉冲驱动模式的优化控制策略提供了理论依据,也为瞬态热电制冷效应的应用开辟了一条新思路。

镍铬硅和镍硅合金的热电迟滞

在200～1200℃温发范围内,加热时间至300h的条件下,研究了镍铬硅和镍硅热电偶合金塞贝克系数的迟滞现象。对于这两种合金,迟滞峰值在400℃和700℃附近出现。镍铬硅合金低温条件下的迟滞峰值较小(<0.05μ)700℃附近的峰值在加热50h后增加到约0.31μVK^(-1),在此之后几乎不再变化。镍硅合金的两个迟滞峰值在加热100h后约为0.2μVK^(-1),随时间不断增加,在300h后达到0.3μVK^(-1)。研究表明迟滞是造成这种热电偶不稳定的主要原因,并提出镍硅合金的迟滞在制造过程中可以大大地降低。

CoSb3/MoCu热电接头的一步SPS法制备及性能评价

Mo-Cu合金电极被成功应用于CoSb3基热电发电元件.通过调节合金中铜的含量,Mo50Cu50合金取得了与CoSb3良好的热匹配.借助于放电等离子烧结（SPS）,Mo-Cu合金通过钛层成功实现了与CoSb3热电材料的连接.在CoSb3/Ti/Mo-Cu界面区域,没有发现微裂纹,扫描电镜（SEM）显示在CoSb3/Ti界面处生成了TiSb相.500℃的热时效实验表明,CoSb3/Ti界面区域的TiSb相厚度略有增加,显示了良好的热稳定性.随着热时效时间的延长,接头的剪切强度降低.四点探针测试表明,界面区域界面电阻很小,界面接触电阻率在20~30μΩ.cm2,显示了热电接头良好的电接触.

表面修饰工程协同优化Bi_(2)Te_(3)基微型热电器件的界面性能

热电器件微型化对组成热电元件的界面性能提出了更高要求,获得低的界面接触电阻率和高的界面结合强度的异质结合界面,是成功制备高性能、高可靠性Bi_(2)Te_(3)基微型热电器件的前提条件.本研究采用酸洗方法对Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_(3)材料进行表面修饰,实现了Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_(3)Te3/Ni热电元件界面性能的协同优化.酸洗过程有效调控了Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_(3)材料的表面功函数,显著降低了Ni层与Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_(3)Te_(3)材料间的接触势垒,从未酸洗处理的0.22 eV降至0.02 eV,势垒的降低使界面接触电阻率从未酸洗处理的14.2μΩ·cm~2大幅降至0.22μΩ·cm~2.此外,酸洗过程还能有效调控基体表面粗糙度,在基体表面形成2—5μm的V型凹坑,产生钉扎效应,极大地增强了材料表面与Ni层的物理结合,与约50 nm厚Bi_(0.4)Sb_(1.6)Te_(3)界面扩散反应区形成的冶金结合共同作用,使界面结合强度从未酸洗处理的7.14 MPa大幅增至22.34 MPa.这种优异的界面性能在微型热电器件中得到了进一步证实,采用该工艺处理后热电元件制备的4.7×4.9 mm~2微型热电器件,在热面温度300 K下的最大制冷温差达到56.5 K,在10 K温差下最大输出功率达到882μW.该研究为实现界面性能的协同优化提供了一种新策略,并为微型热电器件的性能优化开辟了新途径.