武汉理工大学李国栋教授:晶格热电臂结构参数与输出功率密度的定量化关系

2023~2025年  分领域虚拟专题

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热电器件基于热电效应实现热能与电能直接转换，具有无噪音和无污染等优势，广泛用于废热利用领域。热电臂结构是影响热电器件性能优劣的关键，近期的研究表明相对于传统块状热电臂，晶格结构热电臂是一种兼具经济性与高效性的策略。然而，目前针对晶格结构参数与热电性能之间的本征关联尚缺乏系统性分析。本研究通过对晶格结构进行热电特性分析并结合一维能量平衡理论建立了晶格热电臂结构参数与输出功率密度的定量化关系。结果表明在对流换热边界条件下，晶格结构热电臂因高热阻特性，在温差与输出功率密度方面较块体结构具备显著优势。当换热系数为200 W·m^–2·K^–1(实际应用中常见值)时，通过调节结构参数，晶格结构热电臂的温差可达块体结构的2.4倍，输出功率密度可达块体结构的3.8倍。本研究成果为高性价比的热电装置的研发提供了理论指导。

研究背景

制造业的快速发展，尤其是增材制造技术在热电臂成型领域的推广应用，为热电臂结构设计提供了更多复杂构型方案。晶格结构是一类受金属晶格结构启发，由杆件与节点周期性排布构成的轻质高强结构，兼具优异的比强度、比刚度及冲击吸能等多功能一体化特性，为热电器件的结构创新提供了更具潜力的选择，有望以较低成本实现热电性能与力学性能的协同提升。目前，已有大量研究聚焦于晶格结构的力学性能探究，但针对其热电性能的研究存在明显缺口。

本文亮点

1. 建立了晶格结构参数与晶格结构热电臂输出功率密度之间的量化理论模型，该模型适用于理想定温边界和理想对流边界的稳态场景。经有限元仿真验证，相对误差小于8%，可有效预测晶格结构的最大输出功率密度。揭示了不同传热场景下结构参数与输出功率密度的关联。

2. 明确了晶格结构热电臂相较于块体热电臂的性能优势与适用边界。在中、低强度对流换热边界下晶格结构热电臂的输出功率密度表现优异 ，但在高强度对流换热边界和定温边界下无明显优势。这为晶格热电臂的工程应用提供了科学指导。

图文导读

图1展示了不同冷端对流换热系数h下FCC晶格结构的最大功率密度的理论与模拟值随杆径的变化关系，以及两者之间的相对误差。结果显示，功率密度随杆径增大呈现不同趋势，这取决于h的大小。其内在机理为在杆径增大会降低结构电阻和热阻，前者有利于增大功率密度而后者反之，并且在不同h下两种影响的主导地位不同，进而形成不同的变化趋势。同时可以发现晶格结构的功率密度在中、低对流换热强度时明显优于块体结构，而在高对流换热强度时并无优势。

图2为在定温边界时四种晶格结构最大功率密度的理论与模拟结果随杆径的变化关系。结果表明随四种晶格结构最大功率密度随杆径增大而增大，这是由于杆径的增大降低了结构电阻，从而增大了功率密度。同时可以发现在定温边界下晶格结构热电臂的输出功率密度明显低于块体热电臂，这表明了晶格结构热电臂在定温边界下并不具备优势。

总结与展望

本研究通过理论分析，构建了晶格结构热电臂的结构参数与输出功率密度之间的关联模型，并结合有限元分析方法对该模型进行了验证。揭示了结构参数对输出功率密度的调控机制，在不同边界条件下系统对比了晶格结构与块体结构热电臂的性能差异。上述研究成果，为高性价比热电器件的研发设计提供了科学指导。

作者简介

通讯作者：李国栋，武汉理工大学物理与力学学院教授，博士生导师。先后在美国加州理工学院和西北大学从事博士后研究，获得多项国家级、省部级荣誉。一直从事功能材料与微纳器件的跨尺度力学理论与方法研究及材料设计。主持基金委优秀青年基金、重大研究计划集成项目、重点基金课题等，担任Interdiscip. Mater.和Acta Mech. Sinica编委；以第一/通讯作者，在Matter、Mater. Sci. Eng. R.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Phys. Rev. Lett.、Acta. Mater.等刊物发表论文80余篇。

E-mail：guodonglee@whut.edu.cn

第一作者：周杰，武汉理工大学物理与力学学院硕士研究生，主要研究方向为基于有限元分析的热电器件结构设计。

E-mail：zj299124@whut.edu.cn

期刊介绍