一种热电器件长期服役性能预测方法及应用技术

本发明专利技术涉及一种热电器件长期服役性能预测方法及应用，包括：通过实验获得热电材料表面升华动力学数据、热电材料/电极界面反应层增厚动力学数据和热电材料/电极界面的界面电阻率数据；建立热电臂基体与热电材料表面升华分解层的控制分界线方程，在确定的热电材料和服役温度下，获得控制分界线的参数坐标；结合材料物性参数对温度的依赖性，基于热电臂基体与分解层的分界线控制方程构建几何模型，基于界面电阻率与温度和时间的关系设置电场中的界面电阻率，改变参数，利用仿真计算软件的热电效应物理场进行数值计算，得到在不同服役温度下热电器件长期性能预测值。根据本发明专利技术，能基于热电材料性能衰减实现器件长期服役性能预测。预测。预测。

【技术实现步骤摘要】
Technology，2021，207（6）：782
‑
789），利用对RTG的输出功率进行数学拟合，具有较好的预测结果。上述两种方法可以对RTG的长期服役性能进行有效预测，但模型是基于大量的长时间服役性能实验数据的拟合和外推，缺乏预见性，衰减机理和规律尚不明确，难以应用于其他材料体系的热电器件。因此，亟需建立一种基于热电材料或热电元件表面和界面行为的研究，对热电器件在不同服役温度下的长期性能预测的模型，为热电器件的长期服役性能演化提供理论基础，准确预期器件的服役性能，并对热电器件的结构设计和服役条件进行优化。

技术实现思路

[0005]专利技术要解决的问题：针对如上述的热电材料和器件长期服役性能难以定量描述的问题，本专利技术的目的在于提供一种基于热电材料性能衰减实现器件长期服役性能预测的热电器件长期服役性能预测方法及应用。
[0006]解决问题的技术手段：本专利技术提供一种热电器件长期服役性能预测方法，包括：通过实验获得热电材料表面升华动力学数据、热电材料/电极界面反应层增厚动力学数据和热电材料/电极界面的界面电阻率数据；建立热电臂基体与热电材料表面升华分解层的控制分界线方程为y=d
‑ꢀ
f1(T，t)，在确定的热电材料和服役温度下，热电臂内的温度分布为T=g(y)，控制分界线的参数坐标为 (d
‑ꢀ
f1(g(y)，t)，y)，其中，d为热电臂边缘距热电臂中心线的垂直距离，y为热电臂的高度位置，g函数通过热电效应仿真获得或线性假设获得；结合材料物性参数对温度的依赖性，基于热电臂基体与热电材料表面升华分解层的分界线控制方程构建几何模型，基于界面电阻率与温度和时间的关系设置电场中的界面电阻率，改变参数，利用仿真计算软件的热电效应物理场进行数值计算，得到在不同服役温度下热电器件长期性能预测值。
[0007]根据本专利技术，实验获得热电材料表面升华动力学数据、热电材料/电极界面反应层增厚动力学数据和相应的电极/热电臂的界面电阻率数据，分别建立热电臂基体与升华分解层的分界线控制方程和界面电阻率随时间的变化关系，结合数值仿真软件建立热电器件升华几何模型和性能预测物理模型，通过计算获得热电器件内阻、开路电压、输出功率等性能参数与服役温度和时间之间的定量关系，实现热电器件在不同服役条件下长期服役性能的预测。
[0008]也可以是，本专利技术中，获取热电材料表面升华动力学数据、热电材料/电极界面反应层增厚动力学数据时，将纯热电材料块体和带有阻挡层的热电元件切割成粒子，真空封于管内，并放到管式炉内老化，老化完成后切割、抛光，在电镜下观察不同温度和时间下热电材料表面升华分解层的厚度并确定该热电材料表面升华分解层的物相和孔隙率，以及观察热电材料/电极界面反应层的厚度，并测量热电材料/电极界面的界面电阻率。
[0009]也可以是，本专利技术中，
热电材料表面升华动力学数据为热电材料表面升华分解层的厚度随温度和时间的变化关系l
DL
=f1(T，t)，其中，l
DL
为热电材料表面升华分解层的厚度，T为温度，t为时间。
[0010]也可以是，本专利技术中，热电材料/电极界面反应层增厚动力学数据为热电材料/电极界面反应层的厚度随温度和时间的变化关系l
IRL
=f2(T，t)，其中，l
IRL
为热电材料/电极界面反应层的厚度，T为温度，t为时间。
[0011]也可以是，本专利技术中，热电材料/电极界面的界面电阻率在物理模型边界条件下为，其中a，b基于热电材料/电极界面的界面电阻率与热电材料/电极界面反应层的厚度进行线性函数拟合而获得。
[0012]也可以是，本专利技术中，所述参数包括时间t、热源温度T
h
、冷源温度T
c
和外电阻值R。
[0013]也可以是，本专利技术中，所述热电器件所用材料包括但不限于已知热电性能的碲化铋、方钴矿、半赫斯勒合金、碲化铅、碲化锗、Zintl相和硅锗合金中的一种或几种。
[0014]也可以是，本专利技术中，仿真计算软件包括但不限于ANASYS、COMSOL和/或ABAQUS。
[0015]本专利技术提供上述热电器件长期服役性能预测方法在热电器件无氧/含氧服役过程中的应用。
[0016]专利技术效果：本专利技术能提供一种热电器件长期服役性能预测方法及应用，能基于热电材料性能衰减实现器件长期服役性能预测。
附图说明
[0017]图1示出本专利技术实施例1中p型Ce
0.9
Fe3CoSb
12
方钴矿材料在600℃、625℃、650℃和675℃下升华后形成的分解层的厚度随时间的关系；图2示出本专利技术实施例1中p型Ce
0.9
Fe3CoSb
12
方钴矿元件在575℃、600℃、625℃和650℃下界面反应层厚度随时间的关系；图3示出本专利技术实施例1中p型Ce
0.9
Fe3CoSb
12
方钴矿元件，电极/Ce
0.9
Fe3CoSb
12
界面电阻率与反应层厚度的拟合关系；图4示出本专利技术实施例1中p型Ce
0.9
Fe3CoSb
12
方钴矿单腿器件在热源温度600℃，冷源温度27℃条件下，热电臂基体与热电臂分解层的预测分界线与时间t的关系；图5示出本专利技术实施例1中p型Ce
0.9
Fe3CoSb
12
方钴矿器件在热源温度分别为625℃、600℃和550℃，冷源温度固定27℃条件下，热电器件的内阻R
in
、开路电压V
oc
和最大输出功率P
max
随时间参数的变化预测曲线，并与热源温度625℃，冷源温度27℃条件下服役15天的实测性能对比；图6示出本专利技术实施例2中n型Yb
0.3
Co4Sb
12
方钴矿材料在600℃、625℃、650℃和675℃下升华后形成的分解层的厚度随时间的关系；图7示出本专利技术实施例2中n型Yb
0.3
Co4Sb
12
方钴矿元件在575℃、600℃、625℃和650
℃下界面反应层厚度随时间的关系；图8示出本专利技术实施例2中n型Yb
0.3
Co4Sb
12
方钴矿元件，电极/Yb
0.3
Co4Sb
12
界面电阻率与反应层厚度的拟合关系；图9示出本专利技术实施例2中n型Yb
0.3
Co4Sb
12
方钴矿单腿器件在热源温度600℃，冷源温度27℃条件下，热电臂基体与热电臂分解层的预测分界线与时间t的关系；图10示出本专利技术实施例2中n型Yb
0.3
Co4Sb
12
方钴矿器件在热源温度分别为650℃、600℃和550℃，冷源温度固定27℃条件下，热电器件的内阻R
in
、开路电压V
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热电器件长期服役性能预测方法，包括：通过实验获得热电材料表面升华动力学数据、热电材料/电极界面反应层增厚动力学数据和热电材料/电极界面的界面电阻率数据；建立热电臂基体与热电材料表面升华分解层的控制分界线方程为y=d
‑ꢀ
f1(T，t)，在确定的热电材料和服役温度下，热电臂内的温度分布为T=g(y)，控制分界线的参数坐标为 (d
‑ꢀ
f1(g(y)，t)，y)，其中，d为热电臂边缘距热电臂中心线的垂直距离，y为热电臂的高度位置，g函数通过热电效应仿真获得或线性假设获得；结合材料物性参数对温度的依赖性，基于热电臂基体与热电材料表面升华分解层的分界线控制方程构建几何模型，基于界面电阻率与温度和时间的关系设置电场中的界面电阻率，改变参数，利用商用仿真软件的热电效应物理场进行数值计算，得到在不同服役温度下热电器件长期性能预测值。2.根据权利要求1所述的热电器件长期服役性能预测方法，其特征在于，获取热电材料表面升华动力学数据、热电材料/电极界面反应层增厚动力学数据时，将纯热电材料块体和带有阻挡层的热电元件切割成粒子，真空封于管内，并放到管式炉内老化，老化完成后切割、抛光，在电镜下观察不同温度和时间下热电材料表面升华分解层的厚度并确定该热电材料表面升华分解层的物相和孔隙率，以及观察热电材料/电极界面反应层的厚度，并测量热电材料/电极界面的界面电阻率。3.根据权利要求2所述的热电器件长期服役性能预测方法，其特征在于，热电材料表面升华动力学数据为热电材料表面升华分解层...

【专利技术属性】
技术研发人员：柏胜强，王雷，陈立东，宋庆峰，廖锦城，王超，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：