热电薄膜材料的制备和制冷器件的数值模拟.pdf

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1、2015年8月北京航空航天大学学报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热电薄膜材料的制备和制冷器件的数值模拟祝薇，邓元+，王瑶，高洪利，胡少雄(北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100191)摘要：论述了热电材料低维化和器件小型化的发展趋势以及在航空航天领域的应

2、用．利用磁控溅射的方法，在柔性衬底聚酰亚胺(PI)上制备了热电薄膜材料，并对其微观结构和性能进行了表征，结果表明：P型Bi．Sb—Te和N型Bi．Te—se薄膜均表现出(015)的取向性．利用ANSYS有限元模拟软件热电耦合场分析单元对面内型薄膜热电制冷器进行了模拟，讨论了器件的工作电流和材料物性参数对器件制冷性能的影响，发现通过减小基底的厚度和热导率，可增大基底面内方向的热阻，实现热流沿热电臂的传输；基底的镂空设计和制冷区域高导热层的引入，有利于制冷温差的建立和制冷区域的均匀制冷，这些为薄膜型制冷器件的制备提供了指导．关键词：热电材料；薄

3、膜；热电制冷器；数值模拟；优化设计中图分类号：V259；TB34文献标识码：A文章编号：1001—5965(2015)08—1435-08热电材料是一种能实现热能与电能相互转换的固体材料，提高热电优值一直是热电材料研究的重点．当前国际上研究的重点一方面集中在对现有体系的掺杂或开发新的多元复杂化合物体系上⋯．另一方面则是希望通过实现热电材料的低维化和纳米结构可控生长，来提高热电材料的Seebeck系数和电导率，同时特别是降低材料的热导率，实现热电材料性能的突破．热电理论研究表明：热电材料的低维纳米化可望大幅提高材料的热电优值"引．根据理论的指

4、导，2001年开发的P型Bi，Te，／Sb，Te，超晶格结构的热电优值可达到2．4，证明低维纳米化是实现热电材料性能突破的重要途径¨1．半导体制冷是利用热电材料帕尔贴效应的一种制冷方式，制冷时，电流经过两种不同热电材料组成的电路，P型材料中的空穴和N型材料中的电子同时从一端向另一端移动．因此PN结的冷端吸收热量，而热面则释放热量．由于半导体制冷的工质是在固体中传导的载流子，因此它具有无工质泄露、无机械运动、无振动、无噪声、寿命长和可靠性高等优点．目前商用的半导体制冷器主要为面外型器件，在室温下最大制冷温差约为67℃，制冷功率密度仅为5～10

5、W／cm2，响应时间为秒级．由于航空航天方面的应用要求轻质化，因此对于空间大功率器件制冷问题，无论从集成时制冷器尺寸的要求，还是从电子器件高制冷功率密度的需求出发，目前商用的块体半导体制冷器已不能完全满足对上述电子器件制冷的要求．半导体制冷器的制冷功率密度与其特征尺寸成反比，即半导体制冷器的微型化有利于提高其制冷功率密度，且与电子器件集成时不受体积的限制，用其来解决空间中高集成大功率发热器件的冷却和温控问题，成为近几年来半导体制冷领域的研究热点旧。11．美国航空航天局(NASA)和国家喷气收稿日期：2014-09-22；录用日期：2014-

6、12-18；网络出版时间：2015-01—1318：06网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／11．2625．V．20150113．1806．001．html基金项目：北京航空航天大学基本科研业务费——博士研究生创新基金(YwF一14一YJSY-003)作者简介：祝薇(1987一)，女，河北石家庄人，博士研究生，zhuzhuweiweil987@gmail．corn+通讯作者：邓元(1972～)，男，湖南泸溪人，教授，dengyuan@buaa．edu．en，主要研究方向为新能源材料与器件．引用格式：祝薇，邓元，王

7、瑶，等．热电薄膜材料的制各和制冷器件的数值模拟[JJ．北京航空航天大学学报，2015，41(8)：1435-1442．ZhuW．DengY，Wangy，eta1．Preparationofthermoeleetriethinfilmmaterialandnumericalsimulationofcooler[JJ．JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics，2015，41(8)：1435—1442(inChinese)．1436北京航空航天大学学报动力实验室(JPL)利用微机

8、电系统(Micro—ElectroMechanicalSystems。MEMS)技术开发了用于航天电子制冷的高性能微型半导体制冷器，散热面积仅为0．55mm2，制冷功率密度高达1