硅鍺合金溫差電單偶的制備與尺寸參數(shù)的優(yōu)化設計.pdf

1、SiGe合金材料在高溫下由于化學穩(wěn)定性好、機械強度高，因而適用于高溫熱電材料中，現(xiàn)已成功應用于航天溫差發(fā)電器中。但是目前仍存在熱電優(yōu)值（即ZT值）偏低的問題，導致溫差發(fā)電轉化效率較低。本課題主要采用納米復合摻雜方法來提高SiGe合金材料ZT值。理想的納米復合摻雜技術是指向主相中摻入與主相電學性能相近的摻雜相，在保證材料具有較高電學性能的同時，由于彌散分布在主相中的納米摻雜相對聲子的輸運過程產(chǎn)生非相干散射，從而降低合金導熱率，最終提高Si

2、Ge合金熱電材料的ZT值。
　　通過高溫熔煉和機械球磨分別制備Si95Ge5基質(zhì)和Si70Ge30B5摻雜相，按照摻雜比例（15％、25%、35%）將基質(zhì)和摻雜相混合均勻后，進行等離子燒結制備P型SiGe熱電合金。對燒結塊體采用X射線衍射儀（XRD）、掃描電鏡（SEM）手段進行表征，發(fā)現(xiàn)等離子燒結后塊體已形成具有金剛石結構的SiGe合金，且組織均勻，致密度較高。熱電性能測試表明隨著 Si70Ge30B5摻雜量的增加，P型SiGe熱

3、電合金的導電率和塞貝克系數(shù)變化不大，而導熱系數(shù)卻大幅降低，當Si70Ge30B5摻雜量為25%時，P型SiGe合金取得最大ZT值，且在溫度為710 K下為0.47。
　　以相同工藝流程制備 Si95Ge5為基質(zhì)、Si70Ge30P3為摻雜相（摻雜比例分別為15%、25%、35%）的N型SiGe合金，熱電性能測試表明隨著Si70Ge30P3摻雜量的增加，N型SiGe熱電合金的導電率和塞貝克系數(shù)變化不大，而導熱系數(shù)卻大幅降低，當Si7

4、0Ge30P3摻雜量為35%時，N型SiGe合金取得最大ZT值，且在710 K下為0.58。
　　最后，采用摻雜Si70Ge30B5量為25%的P型SiGe合金和摻雜Si70Ge30P3量為35%的N型SiGe合金作為溫差電單偶的PN結，考慮熱電材料的變物性參數(shù)和接觸效應的影響，通過 ANSYS有限元軟件模擬溫差電偶臂的尺寸參數(shù)對溫差電單偶的輸出功率和轉換效率的影響，得到結論：溫差電單偶的橫截面邊長為4.5 mm，臂長為2.5 m