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服役热电器件界面损伤演化的热-电-力-化学耦合行为及寿命预测

批准号:
12102043
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
王攀
依托单位:
学科分类:
多场耦合与智能结构力学
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
王攀

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
热电器件能利用温差发电,且具有结构简单、无噪音、无机械振动和无需维护等优点,在航天航空、交通运输、生物器件等领域有着广阔的应用前景。然而,在热电器件的服役过程中,其热电材料与连接金属的界面失效问题十分突出,导致器件使用寿命大幅降低,成为制约其进一步发展的关键瓶颈。由于服役热电器件界面受到电迁移、热迁移、热变形、界面扩散和化学反应等因素的耦合作用,其界面失效机理十分复杂,建立界面失效理论和预测器件服役寿命非常具有挑战性。为了进一步拓展热电器件的工程应用,本项目实时评估服役热电器件的性能退化并定时表征界面三维形貌演化,揭示其界面失效机理,建立界面热-电-力-化学耦合失效理论,给出器件的服役寿命预测模型,并提出热电器件耐久性优化设计方法。本项目属于前沿的基础研究,具有较强挑战性,其研究成果将对高耐久性热电器件的设计和优化提供理论基础和技术储备,同时丰富和发展热-电-力-化学多场耦合力学理论。
英文摘要
Thermoelectric generators (TEGs) can directly convert heat flux into electrical energy, and possess the advantages of structural simplicity, noiseless, no mechanical vibration, and maintenance-free, leading to wide engineering applications such as aerospace, transportation, and biological devices. However, the problem of interface failure between thermoelectric materials and electrodes has always been quite outstanding for in-service TEGs, causing a great reduction in its service life and restricting its further development. The interface of working TEGs usually subject to the combined effects of electromigration, thermal conduction, thermal deformation, interfacial diffusion, and chemical reactions, which makes the analysis of the interface failure problems very challenging. To further broaden the applications of TEGs, this project assess the real-time performance degradation and characterize the 3D interface evolution of in-service TEG, aims to i) revealing the interface failure mechanism, ii) establishing the thermo-electro-mechano-chemical coupling theory of interface failure, iii) developing the lifetime prediction model, and iv) proposing the device optimization method of TEGs. This project is cutting-edge basic research with strong challenges. The research results will enrich and develop the theory of thermo-electro-mechano-chemical multi-field coupling mechanics. Furthermore, it will provide a theoretical foundation and technical reserves for the design and optimization of high-endurance thermoelectric devices.
热电器件能利用温差发电,且具有结构简单、无噪音、无机械振动和无需维护等优点,在航天航空、交通运输、生物器件等领域有着广阔的应用前景。然而,在热电器件的服役过程中,其热电材料与连接金属的界面失效问题十分突出,导致器件使用寿命大幅降低,成为制约其进一步发展的关键瓶颈。本项目针对热电器件在服役环境下界面热-电-力-化学耦合失效问题,旨在揭示界面失效机理,建立寿命预测模型,并为高耐久性热电器件设计提供理论指导。.项目的主要研究内容有:.(1)阐明热电器件界面失效与性能退化的机理。提出了热电器件界面损伤的演化模型,分析了热循环作用下热电器件界面损伤的演化三阶段,即:成核-扩展-脱层,热电器件性能退化最主要的原因是其界面损伤区域的扩大导致界面电阻与界面热阻的增大;.(2)建立服役热电器件界面热-电-力-化学耦合失效分析方法及其寿命预测模型。从热力学角度建立了热-电-力-化学耦合失效理论框架,可以用来分析界面的失效行为。基于Paris定律,建立了界面损伤演化模型并进一步建立了热电器件在热循环下的服役寿命模型;.(3)高耐久热电器件的设计方法。提出了一种综合考虑界面损伤和材料非线性的解析模型,用于高效计算热电器件性能。提出了一种基于深度学习的热电器件性能预测和优化方法。通过提取关键特征并构建深度神经网络,实现了对热电器件性能的快速准确预测。该方法能够在短时间内优化热电器件的几何结构,显著提升其输出功率和效率。.项目的科学意义在于:.(1)揭示了热电器件界面失效和性能退化的机理,为热电器件的可靠性评估提供了关键数据;.(2)建立了热-电-力-化学耦合失效理论框架,为界面演化分析提供了多物理场耦合工具;.(3)提出了寿命预测模型和优化设计方法,为高耐久性热电器件设计提供了理论依据。.项目成果不仅具有重要的学术价值,还为热电器件在航空航天、国防、交通等领域的工程应用提供了理论支持。.
编织复合材料与结构高性能计算框架与热-力耦合优化
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2026
  • 负责人:
    王攀
  • 依托单位:
可穿戴柔性热电器件的界面退化和服役寿命预测研究
  • 批准号:
    2023JJ40698
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    0.0万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    王攀
  • 依托单位:
国内基金
海外基金