工程热导率——衡量块体热电发电机可靠性和热电性能的指标

AFMrenzhifeng通常来说,通过调控纳米结构来降低晶格热导率是一种提升热电品质因数的有效方法,但是大幅度降低热导率要求缩短热电臂,避免材料的工作温度过高,超过其上限。一般的,设计这种更短的热电臂往往是为了获得更高的发电量,消耗更少的材料。然而,与此同时,热剪应力的增加又会导致设备更易损坏,因此设备的可靠性显然与热电材料的热导率息息相关。为了研究材料性质和设备可靠性的关系,休斯顿大学任志锋教授等人定义了工程热导率的概念,即维持热电材料机械可靠性和热电性能所允许的最小热导率。基于这个概念,他们建立了一种新方法来评估材料的工程热导率。在不超过热电材料和金属界面结构的屈服强度的前提下,给予一定的热负荷,当热电臂达到维持最高温度差的最小值时测得的热导率即为工程热导率。这就是在稳态模式下测量工程热导率的方法。而瞬态(非稳态)过程中的工程热导率则可以基于抗热应力去推算,通过一种热加载或热冲击的方式获得。这种瞬态工程热导率可以作为一个表征材料抵抗动态热加载的固有能力的相关性能指标。在这里,任教授等人表明为了热电器件的稳定操作,所用材料的热导率应该要比工程热导率高。显然,由于调控热电材料的性质也会影响设备的可靠性,所以对于某一种材料,这种降低其热导率以求提升品质因数的方法应该认真权衡考虑。基于保守而实用的设计标准,他们发现,如果没有提升界面结构的力学特性,而是仅仅为了提高品质因数去进一步降低一些三碲化铋材料的热导率是徒劳的,因为这会使得整个器件变得易碎。而他们所提出的方法能够评估设备所需要的界面结构屈服强度,以实现其在给定的环境下稳定可靠的操作。了解这种热电器件可靠性和材料调控方法之间的关系将会有益于热电发电机的发展,最终实现机械强度高和热电性能好的目标。

相关文章发表在Advanced Functinoal Materials(DOI: 10.1002/adfm.201600128)上。