[00140413]高效率热电转换材料与器件的开发及实用化研究

本课题以开发高性能热电材料与器件为主要研究内容，通过对材料－器件－转换系统的各个层面相关技术的深入研究，开发高效率、低成本的热电发电及致冷系统，为热电技术的进一步大规模应用奠定坚实的技术基础。主要内容包括：1、高强碲化铋基热电材料制备：利用放电等离子体快速烧结技术制备出织构可控的多晶锑化铋材料。相对强度大于98%，取向密度大于75%。烧结材料抗弯强度达83兆帕。P型材料的ZT值是区溶材料的1.2倍，N型材料的ZT值为区溶材料的93%。利用相应的N型和P型材料所制备的器件，其最大温差达71摄氏度。2、纳米复合热电材料及其工艺：提供了一种工艺简单、方便实用且成本低廉的中温区热电材料纳米颗粒复合工艺和几种性能优异的热电纳米复合材料。添加不超过10Vol.%的碳60、二氧化锆、γ三氧化二铝等纳米颗粒的复合材料的晶格热导率最多可降低40%，ZT值最多可提高约50%。3、AlN/Cu直接结合的关键技术：开发了两种不同的氮化铝和铜的结合技术。4、Mo/Ti新型电极材料及其焊接技术：选用钼（Mo）作为电极材料和钛作为过渡层，利用SPS分两步实现锑化钴基热电材料和电极材料的接合。5、赛贝克系数测试装置和方法：设计了一种全新的样品支架和加热、冷却装置，并建立起与计算机相连的自动化测温系统。6、热电元件输出特性和转换效率测试装置：开发了一套“单热源对称法”热电元件输出特性及转换效率的评价测试装置。其中，“AlN/Cu直接结合技术的开发”是本课题组与上海申和热磁电子有限公司合作共同进行。此项技术经过中间实验的放大后，即可成为产品。Bi-Te体系材料研究是与上海申和热磁电子有限公司及天津电子18所的共同合作下进行的，织构化Bi-Te体系材料已由申和公司制成致冷组件。在解决Mo/Ti电极材料与CoSb3基中温热电材料的直接结合后，目前正在进行CoSb3基skutterudite中温热电发电元件的有关性能测试，经过进一步的的调试和改进后，CoSb3基skutterudite发电元件有望取代目前的PbTe发电组件，将在空间电源技术或国防工业中获得应用。