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作者：

王雪强

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摘要：

热电材料是一种能够实现热能和电能相互转换的功能材料,在热电发电,热电制冷上具有应用.然而,热电材料热电转化效率低的问题,使热电器件在大规模应用上受到了限制.如何提高热电性能,保证高温条件下材料的力学可靠性成了热电领域研究的关键问题.首先,建立了用于评估热电材料及器件热电性能和力学性能的三维有限元模型,在热电性能方面,基于热—电耦合计算,考虑了材料参数温度依赖性的影响,探究了输出功率,发电效率与电流的关系,研究了热电腿尺寸和截面积对热电器件输出功率,发电效率的影响.通过改变热电腿的结构尺寸,进而找到最佳的热电腿高度和横截面积,提高了热电发电效率.在力学性能方面,基于热—结构耦合计算,分析了热电发电机的应力特性,重点研究了热电腿尺寸和横截面积,不同边界约束方式的影响,提出了降低材料应力的优化方法.综合结果表明,关于热电发电机的结构设计,在考虑热电性能的最大化时,还应兼顾材料的力学可靠性;对特定的工况,存在最佳的尺寸和形状设计.其次,考虑热电发电机在实际使用过程中会与环境发生对流和辐射换热,开展了热电发电机热损影响分析.利用传热学理论和有限元方法,建立了稳态环境下的新型共线式热电发电机在侧面散热情况下的模型,得到了热电发电机的温度场,电势场,应力场,探究了不同强度的对流散热系数对热电发电机热电性能和力学性能的影响.结果表明,对流散热使热电发电机侧面热损失增加,降低热电转化效率,同时降低了热应力.最后,基于弹性理论及复合材料力学,建立了功能梯度热电材料三维有限元模型,对器件的热电性能和力学性能进行数值模拟,得到了功能梯度材料在热—电—结构耦合下的热电性能和应力分布.通过改变梯度材料的梯度因子,系统地研究了不同形式梯度材料的性能表现,给出了优化设计方案.结果表明,功能梯度热电材料比传统均匀分段材料会有更佳的热电性能和力学性能.

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学位级别：

硕士