铜基类金刚石结构化合物热电性能研究进展

新能源热电转换技术因其在废热回收、热电制冷、航空航天等领域的广泛应用,面向国家重大需求、助力实现“碳达峰、碳中和”而受到广泛关注。有效提升材料的综合热电性能对拓宽热电材料的应用具有深远的意义。铜基类金刚石结构热电材料因其易于调控的输运特性、高元素丰度和低毒等优点引起了研究者的兴趣,因此总结铜基类金刚石结构热电材料研究进展对提升其性能具有重要的指导意义。本文总结了铜基类金刚石结构系列化合物的晶体结构演变过程、能带结构和声子谱特征;归纳了基于能带结构优化和载流子浓度优化来提升电输运性能的研究概况;概括了本征低晶格热导率的机理和利用声子工程优化热输运性能的规律。最后,总结了铜基类金刚石结构化合物热电材料的优势和目前性能优化的瓶颈,并展望了可能的进一步优化策略。     

半导体制冷技术的研究现状及发展方向

半导体制冷技术是一门以热电制冷材料为基础的新兴制冷技术.通过阅读大量文献,从热电材料、结构设计、冷热端散热方式3个方面对半导体制冷技术近年来的研究热点和成就进行了总结和论述,并指出了半导体制冷技术的发展方向.热电材料决定了优值系数Z,可以从根本上提高材料的制冷性能,但研究难度较大,发展缓慢;优化结构设计可以有效地提高制冷单元的实际性能系数,重点在于优化尺寸因子G和热电阻,缺点是实际加工工艺复杂;减小热电偶冷热端的温差有利于提高制冷量,可以大幅提高制冷系数,有效的散热方式是提高半导体制冷效率的重要因素.     

矿山地热防控与利用研究进展

从矿山地热致灾形式、热害控制技术、热能利用方法3个方面,对相关文献进行归纳,总结已有研究成果。结果表明,矿山地热的致灾形式有加剧煤岩体性质劣化、诱发支护结构失效和导致高温高湿环境三类,具体包括加剧围岩变形破坏、诱发吸附瓦斯溢出、降低锚杆锚固强度、加剧锚护材料腐蚀、损害工人身心健康、降低工人工作效率和增加机械设备故障率七方面。热害控制技术有非人工降温技术和人工降温技术两种,其中非人工降温技术分为热源控制技术、热湿环境调控技术和个体防护技术3类;根据制冷工质不同,可以将人工制冷降温系统分成气冷式、冰冷式和水冷式3大类,包括压缩空气制冷降温、冰制冷降温、地面集中制冷降温、地面排热井下集中降温、回风排热井下集中降温、地面热电联产制冷降温和热害资源化利用等制冷系统。通过提取矿井水和矿井回风中的余热用于矿区井口防冻、洗浴供暖和建筑物供暖,是目前矿山地热利用的主要方法。而直接提取巷道围岩热能的同时实现矿井降温是近年来的研究热点,也是矿山地热直接利用的关键;将地埋管换热器布置在采空区充填材料或巷道围岩内提取围岩热能、实现矿区多种清洁能源协同利用是未来矿山地热利用的发展方向之一。      

室温磁制冷磁体用量的估算

根据主要的永磁体材料磁化性质和可能的室温磁制冷材料的磁热性质,利用磁路定理并假定了通常使用的循环换热流体的压力差上限来计算磁制冷功率和永磁体体积之间的关系,进而说明室温磁制冷机的制冷量的受约束情况以及实用可能性。通过对两种典型的磁路进行的计算对比,发现在使用高磁场时使用中空圆柱形磁聚焦方式更有效,而在获得低于1T的磁场时普通的救生圈环形磁路更为有效。     

NaZn_(13)型La(Fe,Si)_(13)磁制冷材料的研究进展

NaZn13型晶体结构的La(Fe,Si)13化合物由于具有原料价格低廉、磁热效应巨大、环保等优点而备受关注,已经成为国际上公认的最有潜力的室温磁制冷材料之一。本文系统介绍了La(Fe,Si)13化合物的结构和磁热性能,阐述了吸氢、吸氮,稀土元素、Co、B、C、Ca等替代元素对该系列化合物结构和磁热性能的影响,评述了最新的La(Fe,Si)13化合物的制备和加工工艺,最后展望了La(Fe,Si)13化合物作为磁制冷材料的发展趋势。     

磁性薄膜磁热效应的研究进展

近二十年来,基于磁热效应的磁制冷技术得到了长足发展和应用。随着纳米技术的兴起,小型化和智能化成为了许多设备和器件的技术发展趋势,同样也要求制冷技术在微结构上发挥作用,因此纳米薄膜磁制冷材料也吸引了人们的广泛关注。本文根据磁制冷技术的基本原理以及其材料的选型标准,介绍了近几年薄膜磁制冷材料的研究进展,且通过简要分析对薄膜磁制冷技术的未来进行了展望。     

冶金企业热炉制冷联供设备优化设计

针对目前冶金企业热炉制冷联供设备能源消耗大、经济效益低的情况,提出对冶金企业热炉制冷联供设备优化设计。为实现设备优化,以经济性和能源消耗为指标设定优化参数,并引入冷热调节控制器,提高热炉制冷联供设备调节的精准度,在上述设计完成后,采用双层优化算法对热炉制冷联供设备进行优化,由此实现冶金企业热炉制冷联供设备的优化设计。通过设备优化,能够减少能源的消耗并且能够提高经济效益,为冶金企业发展做出贡献。     

热电氧化物的制备和性能研究进展

近年来，由于热电氧化物具有优良的性能，适合于在空气气氛和高温环境中工作，无毒性，无环境污染等问题，制作简单，可以直接在空气中烧结，不需真空等优点，而受到了广泛的关注。对热电氧化物的各种制备方法进行了概述和评论，重点介绍了热电氧化物新的制备方法及其性能研究进展，并对未来发展前景进行了分析，通过掺杂碱金属、碱土金属和稀土等元素提高氧化物的电导率，细化晶粒降低热导率，从而制备高性能的热电氧化物陶瓷材料。     

Gd（0.97-x）Dy_xV_（0.03）-Cu磁制冷材料复合工艺研究

利用导热模型对磁制冷材料与Cu的复合能否提高传热效率进行了可行性分析。采用真空扩散焊接实现了Gd0.97-xDyxV0.03（x=0.0,0.1,0.2,0.3）合金与Cu两种性能差异很大的材料之间的复合连接,其最佳复合工艺参数为：焊接温度610℃,压强为16MPa,保温时间为110min。复合后的磁制冷材料的最大结合强度为24.6Mpa,并且磁制冷材料与Cu界面结合紧密,无缝隙等缺陷,该工艺为复合磁制冷材料制备方法提供了新的工艺方向。     

Bi_2Te_3基制冷晶棒加工废粉料的回收与热电性能的优化

针对半导体制冷行业P型Bi_2Te_3基制冷晶棒的生产与加工过程中产生的废粉料,经过真空煅烧、1次熔炼及2次熔炼除去粉料中的杂质,获得Bi_2Te_3基粉末,然后加压烧结,制备P型Bi_2Te_3基块体材料,测定材料的热电性能,并通过在除杂后的Bi_2Te_3基粉末中加入单质Sb和Te,进行成分优化。结果表明,废粉料的回收率达到85.73%以上,采用废粉料制备的P型块体Bi0.53Sb1.3Te3合金在室温下的电导率仅为331.79 S/cm,热电优值为0.75。在除杂后的废粉料中加入单质Sb和Te后制备的Bi0.36Sb1.64Te3合金在室温下的电导率达到970 S/cm,热电优值为1.13,350 K下的热电优值为1.23,并且在300~470 K温度范围内的热电优值都超过1.0,性能超过了采用高纯原材料生产的P型区域熔炼产品,能够满足生产企业的要求。     

Thermoelectric properties of the Fe-Al and Fe-Al-Si alloys for thermoelectric generation utilising low-temperature heat sources

The iron is intrinsically a p-type conductor. When aluminum with three valence electrons is added to the iron, the d-subbands are occupied by electrons, so alloying with the aluminum transforms the iron to the n-type conductor, hence the p-n junction is made possible. Furthermore, when silicon is added to the n-type Fe-Al alloy, this alloy returns to the p-type conductor. Therefore, the thermoelectric p-n junctions with high thermoelectric power have been recognised (figures in % refer to mass contents): Fe(p) – Fe12%Al(n): α=38μV/K and Fe12%Al12%Si(p) – Fe12%/Al(n): Δα=70μV/K. Thermoelectric generation offers the possibility of a gigantic electric power generation utilising low-temperature sources of energy below 700 K such as exhaust heat from the central-station steam-electric plant, solar heat and terrestrial heat. The immense production of electricity by this principle is made possible exclusively by means of the conversion materials consisiting of the iron and iron-based alloy because the generator can be manufactured on an efficient mass production basis, and the alloys mentioned above will meet this requirement. In this paper, the thermoelectric properties of these alloys such as Seebeck coefficient, thermal conductivity and electrical resistivity were experimentally determined in the temperature range between 300 and 700 K to provide basic data on the conversion materials with respect to the thermoelectric generation utilising low-temperature heat sources.     

DFT studies of thermoelectric properties of R–Au intermetallics at 300 K

Thermoelectric and electronic properties of cubic bi-intermetallics R-Au(R = Tb, Ho. Er. Tm and Yb)compounds were explored. Electronic properties i.e. density of states and band structure were computed using first principles calculations which proved the metallic nature of these compounds. Post-DFT(BoltzTraP) calculations were carried out to explore their thermoelectric properties like electrical conductivities. Seebeck coefficient, electronic thermal conductivities and figure of merit. The highest Seebeck coefficient and figure of merit were found for YbAu among these compounds which are 105 μV/K and 0.285 respectively. All the calculations were carried out at 300 K. Large values of figure of merit obtained for these compounds at room temperature indicate that these materials can be used for thermoelectric devices however need experimental verification.     

机械合金化结合放电等离子烧结技术制备热电材料的研究进展

近年来,热电材料研究取得重要突破,不仅传统Bi₂Te₃、PbTe基热电材料性能得到提升,同时还发现一批新型高性能热电材料,如SnSe、GeTe等。热电材料性能的提升不仅取决于材料成分、结构及缺陷,还与制备工艺密不可分。机械合金化（mechanical alloying,MA）结合放电等离子体烧结（spark plasma sintering,SPS）的粉末冶金技术是制备热电材料的重要方法,该方法简单、高效,获得的晶粒尺寸较小,同时可以引入纳米结构和缺陷,有助于降低晶格热导率,获得高热电性能。此外,基于机械合金化结合放电等离子体烧结技术制备出的块体材料具有更优的力学性能,可以有效地增强热电器件的使用寿命。本文介绍了机械合金化与放电等离子体烧结方法制备热电材料的基本原理和关键影响因素,并概述了利用该方法制备的碲化物、硫化物和硒化物基热电材料的研究进展。     

Mathematical Model of Magnetic Hydrodynamics and Heat Transfer in an Aluminum Reduction Cell

A new nonstationary three-dimensional mathematical model of an aluminum reduction cell which makes it possible to perform coupled thermoelectric and magneto-hydrodynamic calculation while taking into account sideledge formation is presented. The model takes into account the nonlinear dependence of the coefficients of electrical conductivity and thermal conductivity of materials on temperature, as well as, for ferromagnetic materials, the nonlinear dependence of magnetization on the magnetic field strength. The heat-transfer coefficients on the outer surfaces include radiant and convective components of heat transfer and are functions of the ambient temperature and the local surface temperature. In the energy equation, internal sources of heat are taken into account due to the flow of electric current, exothermic reactions, and additional thermal effects associated with the raw material loading and phase transitions. To obtain a numerical solution, the control volume method is applied. Experimental testing of the developed mathematical model is performed on the S8BME aluminum reduction cell. This paper presents the calculated and experimental data of magnetic, electric, thermal, and hydrodynamic fields. A comparison of the calculation results with the results of industrial experiments shows that the model reflects the physical processes taking place in the aluminum reduction cell with accuracy sufficient for engineering calculations. The calculated values of electrical voltage, magnetic induction, and temperature practically coincide with the measured ones. Values obtained from calculating the direction of velocity in the metal pad and the shape of the sideledge profile differ insignificantly from the experimental values. This model can be used to estimate the performance and design parameters of the operation of new and modernized aluminum electrolysis cells. Further studies will be aimed at clarifying the calculated results by improving the mathematical model.     

浅析太阳能温差发电技术及应用

温差发电技术是利用塞贝克效应直接将热能转化为电能的发电技术,具有无运动部件、体积小、重量轻、可靠性高等特点,是绿色环保的发电方式。作为一种新型能源利用技术,温差发电技术有着广阔的应用前景,本文介绍了太阳能温差发电技术原理以及合理利用太阳能转换为电能的方法。     

热喷涂技术应用及研究进展与挑战

热喷涂作为重要的表面工程技术之一,是通过在材料表面制备材料保护涂层与功能涂层,赋予基体材料没有,但服役环境所必须的表面性能的方法。由于热喷涂可以制备从超过50%孔隙缺陷含量到接近完全致密的任意材料的涂层,基于缺陷控制可满足从可磨耗、耐高温隔热、耐磨损与耐腐蚀等不同服役要求,经过100余年的发展已经形成了包括等离子喷涂、超音速火焰喷涂、电弧喷涂、普通火焰喷涂等一系列方法,已经成为在众多产业领域,包括航天航空、交通运输、石油化工、电力能源、冶金钢铁、纺织与造纸、机械制造等,提高产品寿命与竞争力不可或缺的技术。制备可以提供耐磨损、耐环境腐蚀防护、耐高温隔热防护等保护涂层是热喷涂尤为重要的应用方面,热喷涂作为可显著提升结构零件耐磨损的涂层制备方法应用非常广泛,但在动载如冲蚀、空蚀、疲劳磨损、或高应力磨料磨损条件下,涂层材料的耐磨性能尚不能完全发挥;由于涂层总是存在一定的孔隙,难以以制备态直接用作长效耐腐蚀防护涂层,适当的封孔处理成为其用作耐腐蚀涂层的必要条件;包括以燃气轮机热障涂层为代表的耐高温隔热涂层等在航空与地面重型燃机中的应用,在欧美热喷涂市场中约占比60%,随着我国燃气轮机技术的发展,该市场潜力有望逐步得到发掘。热喷涂耐磨损涂层性能的进一步提升不仅需要开发新型硬质耐磨材料以及宽温域自润滑材料,还需要结合材料开发,发展可使粒子间结合充分的涂层制备方法,其次,基于涂层结构特征与服役性能关系控制磨损服役条件,防止源于粒子间脱落的加速磨损是确保长效磨损保护的基础。如何制备在喷涂态即可满足腐蚀介质不浸渗的致密涂层依然是热喷涂耐腐蚀涂层制备需要攻克的挑战。冷喷涂、等离子喷涂、物理气相沉积、液料热喷涂等新方法近年来发展迅速,与这些方法相配套的材料制备技术的发展将是这些新方法得到广泛应用的基础。新能源、医疗、民生、半导体等对导电、催化、生物活性、绝缘、耐刻蚀等功能涂层的需求也将有力推动热喷涂技术的发展。本文将结合目前热喷涂技术在国内外的应用现状与存在的问题,展望热喷涂技术进一步发展过程中有待解决的主要挑战性技术问题,为本领域技术人员合理认识热喷涂技术的特点,直面挑战,深入开展开发与基础研究,推动技术提供参考。     

复合定形相变材料的封装及应用研究新进展

有机相变材料具有热存储密度高、自身温度和体积变化小、腐蚀性小和化学性质稳定等优点,能有效提升不可再生能源的利用率,是一种绿色节能环保材料,在新能源开发和热能储存领域起着至关重要的作用。然而,有机相变储能材料普遍存在相变过程中熔融泄漏和热导率低的问题,严重制约了相变材料的实际应用。因此,相变材料的封装定形和导热强化成为近年来的研究热点。本文针对有机相变材料普遍存在的泄漏和热导率低问题,综述了有机相变材料的封装技术和导热强化技术的基本方法及最新研究成果,并总结了复合相变储能材料的能量转换机理,浅谈了复合定形相变储能材料在建筑节能、太阳能和电子设备等领域的应用情况。最后,对未来复合定形相变储能材料发展的研究重点和方向进行了展望。      

高温相变储能微胶囊研究进展

相变材料的微胶囊化能解决相变材料在相变过程中的熔融渗出问题,提高相变材料的环境适应性、拓展其应用。本文主要对300 ℃以上的高温相变微胶囊材料的制备及其应用进行阐述,主要论述了相变材料的分类,微胶囊的合成方法,以及高温微胶囊的研究现状。且通过研究表明,具有高熔点、高焓值的氟化物微胶囊是一种非常有应用前景的相变材料。      

Variations of Thermal Conductivity of Insulation Materials Under Different Operating Temperatures: Impact on Envelope-Induced Cooling Load

The thermal and energy performance of buildings depends on the thermal characteristics of the building envelope, and particularly on the thermal resistance of the insulation material used. The performance of the thermal insulation material is mainly determined by its thermal conductivity, which describes the ability of heat to flow across the material in the presence of a differential temperature. The value of the thermal conductivity of a particular material is subject to variation, due to changes in both moisture content and temperature. In reality, thermal insulation in buildings is exposed to significant and continuous temperature variations, due to varying outdoor air temperature and solar radiation. However, when calculating cooling loads or performing energy analyses for buildings, most designers, if not all, use published or manufacturer-supplied values of thermal conductivity, which are normally evaluated at 24°C according to the ASTM standards. Currently, many types of insulation materials are produced in Saudi Arabia, but not enough information is available to evaluate their performance under the prevailing climatic conditions. The objective of this paper is to present the results of a study that investigates the relationship between the temperature and thermal conductivity of various types of locally produced insulation materials. Additionally, the impact of thermal conductivity variation with temperature on the envelope-induced cooling load for a theoretically modeled building is quantified and discussed. Results are expected to clarify the issue of thermal conductivity dependence on temperature and lead to a more accurate assessment of the thermal and energy performance of buildings.     

高炉冲渣水余热半导体热电发电模型与数值模拟

 针对中国钢铁工业低温余热回收利用率低的现状,提出一种基于半导体热电发电技术回收高炉冲渣水显热的技术方案,建立了相应的计算模型,分析了冲渣水温度、热电单元长度、热电模块填充系数、换热器流道长度等关键参数与装置性能的关系。结果表明,对于100 ℃的高炉冲渣水,利用热电发电技术,每米流程可使水温下降约1.5 ℃,每平方米换热面积可以产生约0.93 kW电能,热效率约为2%,设备成本的回收周期在10年左右。