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空间核电源用热电材料与器件的高温环境中子辐照效应研究

批准号:
12075214
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
李静
学科分类:
粒子束与物质相互作用
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
李静

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
SiGe和Half-Heusler热电器件在空间核电源中工作时,将受到温差与同位素热源或反应堆中子辐照的同步作用。中子辐照将在器件中引入缺陷而导致器件性能降低。不同温度条件下SiGe热电材料和Half-Heusler热电材料的中子辐照效应仍未知。目前也没有SiGe和Half-Heusler热电器件的中子辐照研究。本项目拟开展SiGe和Half-Heusler热电材料、热电材料/电极连接界面、以及SiGe和Half-Heusler热电器件在不同温度下的中子辐照效应研究。揭示高温和中子同时作用下,中子辐照对SiGe和Half-Heusler热电材料、热电材料/电极连接界面的微观组织结构、输运特性和界面性能的影响及机理。考察辐照后热电器件的性能衰减率及原因。研制抗辐照分段式热电材料。
英文摘要
SiGe thermoelectric module and Half-Heusler thermoelectric module will be exposed to neutron irradiation combined with temperature gradient over a long period of time in space missions in radioisotope thermoelectric generators or space reactor power system. The neutron irradiation at certain doses will introduce defects and result in properties degradation of the modules. The effects of neutron irradiation on SiGe and Half-Heusler thermoelectric materials at elevated temperature are unknown. And there is no neutron irradiation studies investigating the changes on SiGe thermoelectric module and Half-Heusler thermoelectric modules. In this project, we will investigate effects of nentron irradiation on SiGe and Half-Heusler thermoelectric materials and modules at different temperatures. The evolution of micro-structure and properties for SiGe and Half-Heusler thermoelectric materials, SiGe/electrode joints and Half-Heusler/electrode joints will be studied. The degradation of properties for thermoelectric modules will be calculated and measured. The mechanism of neutron irradiation damage in SiGe and Half-Heusler thermoelectric materials and modules will be recovered. We will also develop segement thermoelectric materials with high irradiation resistance.
热电器件是温差型空间核电源的核心能量转换部件,空间核电源研制中需要生产高温热电转换器件。而且,在核电源中,热电器件的工作环境为长达十年以上的持续高温和中子辐照,为了保证核电源的寿命和可靠性,需要研究热电器件的热稳定性和中子辐照效应。本项目中研制了高温硅锗热电器件;开展了硅锗热电材料和器件的室温及高温中子辐照效应研究,及half-Heusler热电器件中子辐照研究;开展了硅锗热电材料与器件的热稳定性研究;基于一维传热理论开展了毫瓦级放射性同位素温差电源(RTG)设计方法研究。所研制出的包络尺寸为20mm×17mm×13mm(高)的 W/C/SiGe/C/W结构热电器件,在电偶臂冷热端温差∆T≈550K时,输出电功率约为3.8W,热电转换效率为5.9%。在室温经过剂量为1×10^15cm-2的快中子辐照,或在800℃条件下经过剂量为2×10^13cm-2的快中子辐照后,硅锗热电器件的输出特性未发生变化。在室温经过剂量为5×10^13cm-2的快中子辐照后half-Heusler热电器件的输出特性也未发生变化。说明硅锗热电器件和half-Heusler热电器件可耐受的中子辐照剂量为2×10^13cm-2以上。研究结果表明,在核电源中硅锗热电器件性能衰减的主要原因为高温环境下硅锗材料的挥发,P型硅锗和N型硅锗材料在927℃的单位面积质量损失速率分别为1.43×10^-6g/cm2·h和3.11×10^-6 g/cm2·h。研究了材料的加速考核方法,对于P型硅锗和N型硅锗材料,1100℃老化温度对于927℃老化温度的加速因子分别是12.4和46.1。研制了SiNx/SiO2/SiNx抑制挥发薄膜,将材料质量损失速率降低了2个数量级。基于一维热传导理论建立了适用于多种体系热电材料的毫瓦级RTG结构设计和优化方程组。完成了各尺寸参数的敏感性分析,研究了RTG半径r、隔热材料高度Haero、热电器件面积A和长度L对温度分布和电输出性能的影响,发现对于目前已有的热电材料体系,最佳器件长度L约为20mm~30mm。本项目中突破的器件制备技术已用于小批量生产硅锗热电器件;热稳定性和辐照考核数据为核电源研制提供重要输入;建立的毫瓦RTG设计方法可用于RTG的结构设计和优化。
Half-Heusler热电材料的中子辐照损伤研究
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