熱電薄膜材料的制備和制冷器件的數(shù)值模擬.pdf

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1、2015年8月北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)August2015第41卷第8期JournalofBeringUniversityofAeronauticsandAstronauticsV01．41No．8http：ffbhxb．buaa．edu．cajbuaa@buaa．edu．caDOI：10．13700／j．bh．1001—5965．2014．0579熱電薄膜材料的制備和制冷器件的數(shù)值模擬祝薇，鄧元+，王瑤，高洪利，胡少雄(北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191)摘要：論述了熱電材料低維化和器件小型化的發(fā)展趨勢以及在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)

2、用．利用磁控濺射的方法，在柔性襯底聚酰亞胺(PI)上制備了熱電薄膜材料，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了表征，結(jié)果表明：P型Bi．Sb—Te和N型Bi．Te—se薄膜均表現(xiàn)出(015)的取向性．利用ANSYS有限元模擬軟件熱電耦合場分析單元對(duì)面內(nèi)型薄膜熱電制冷器進(jìn)行了模擬，討論了器件的工作電流和材料物性參數(shù)對(duì)器件制冷性能的影響，發(fā)現(xiàn)通過減小基底的厚度和熱導(dǎo)率，可增大基底面內(nèi)方向的熱阻，實(shí)現(xiàn)熱流沿?zé)犭姳鄣膫鬏敚换椎溺U空設(shè)計(jì)和制冷區(qū)域高導(dǎo)熱層的引入，有利于制冷溫差的建立和制冷區(qū)域的均勻制冷，這些為薄膜型制冷器件的制備提供了指導(dǎo)．關(guān)鍵詞：熱電材料；薄

3、膜；熱電制冷器；數(shù)值模擬；優(yōu)化設(shè)計(jì)中圖分類號(hào)：V259；TB34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001—5965(2015)08—1435-08熱電材料是一種能實(shí)現(xiàn)熱能與電能相互轉(zhuǎn)換的固體材料，提高熱電優(yōu)值一直是熱電材料研究的重點(diǎn)．當(dāng)前國際上研究的重點(diǎn)一方面集中在對(duì)現(xiàn)有體系的摻雜或開發(fā)新的多元復(fù)雜化合物體系上?．另一方面則是希望通過實(shí)現(xiàn)熱電材料的低維化和納米結(jié)構(gòu)可控生長，來提高熱電材料的Seebeck系數(shù)和電導(dǎo)率，同時(shí)特別是降低材料的熱導(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)熱電材料性能的突破．熱電理論研究表明：熱電材料的低維納米化可望大幅提高材料的熱電優(yōu)值"引．根據(jù)理論的指

4、導(dǎo)，2001年開發(fā)的P型Bi，Te，／Sb，Te，超晶格結(jié)構(gòu)的熱電優(yōu)值可達(dá)到2．4，證明低維納米化是實(shí)現(xiàn)熱電材料性能突破的重要途徑¨1．半導(dǎo)體制冷是利用熱電材料帕爾貼效應(yīng)的一種制冷方式，制冷時(shí)，電流經(jīng)過兩種不同熱電材料組成的電路，P型材料中的空穴和N型材料中的電子同時(shí)從一端向另一端移動(dòng)．因此PN結(jié)的冷端吸收熱量，而熱面則釋放熱量．由于半導(dǎo)體制冷的工質(zhì)是在固體中傳導(dǎo)的載流子，因此它具有無工質(zhì)泄露、無機(jī)械運(yùn)動(dòng)、無振動(dòng)、無噪聲、壽命長和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)．目前商用的半導(dǎo)體制冷器主要為面外型器件，在室溫下最大制冷溫差約為67℃，制冷功率密度僅為5～10

5、W／cm2，響應(yīng)時(shí)間為秒級(jí)．由于航空航天方面的應(yīng)用要求輕質(zhì)化，因此對(duì)于空間大功率器件制冷問題，無論從集成時(shí)制冷器尺寸的要求，還是從電子器件高制冷功率密度的需求出發(fā)，目前商用的塊體半導(dǎo)體制冷器已不能完全滿足對(duì)上述電子器件制冷的要求．半導(dǎo)體制冷器的制冷功率密度與其特征尺寸成反比，即半導(dǎo)體制冷器的微型化有利于提高其制冷功率密度，且與電子器件集成時(shí)不受體積的限制，用其來解決空間中高集成大功率發(fā)熱器件的冷卻和溫控問題，成為近幾年來半導(dǎo)體制冷領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)舊。11．美國航空航天局(NASA)和國家噴氣收稿日期：2014-09-22；錄用日期：2014-

6、12-18；網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2015-01—1318：06網(wǎng)絡(luò)出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150113．1806．001．html基金項(xiàng)目：北京航空航天大學(xué)基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)——博士研究生創(chuàng)新基金(YwF一14一YJSY-003)作者簡介：祝薇(1987一)，女，河北石家莊人，博士研究生，zhuzhuweiweil987@gmail．corn+通訊作者：鄧元(1972～)，男，湖南瀘溪人，教授，dengyuan@buaa．edu．en，主要研究方向?yàn)樾履茉床牧吓c器件．引用格式：祝薇，鄧元，王

7、瑤，等．熱電薄膜材料的制各和制冷器件的數(shù)值模擬[JJ．北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，41(8)：1435-1442．ZhuW．DengY，Wangy，eta1．Preparationofthermoeleetriethinfilmmaterialandnumericalsimulationofcooler[JJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(8)：1435—1442(inChinese)．1436北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室(JPL)利用微機(jī)

8、電系統(tǒng)(Micro—ElectroMechanicalSystems。MEMS)技術(shù)開發(fā)了用于航天電子制冷的高性能微型半導(dǎo)體制冷器，散熱面積僅為0．55mm2，制冷功率密度高達(dá)1