基于Bi2Te3熱電材料的低溫廢熱回收利用研究畢業(yè)答辯

碩士學位論文答辯基于Bi2Te3熱電材料的低溫廢熱回收利用研究答辯人:導師:授前言Bi2Te3熱電材料的球磨法合成Bi2Te3厚膜的制備工藝及性能研究結(jié)論、創(chuàng)新點基于換熱結(jié)構(gòu)的溫差廢熱回收裝置主要內(nèi)容廢熱品位>650oC350oC-650oC<350oC高溫中溫低溫有機朗肯循環(huán)

(ORC)污染、噪音、結(jié)構(gòu)復雜熱泵消耗電能、

產(chǎn)生新的廢熱熱電聯(lián)產(chǎn)設備要求高

新的廢熱回收技術(shù)？環(huán)境友好直接提升能源品位結(jié)構(gòu)簡單……前言

廢熱回收前言

溫差發(fā)電溫差發(fā)電機的特點尺寸小、質(zhì)量輕無任何機械轉(zhuǎn)動部分，工作無噪聲無液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)，因此不存在污染環(huán)境的問題響應速度快，器件使用壽命長

前言

熱電材料在廢熱回收領(lǐng)域的應用日本學者利用溫差發(fā)電模塊回收工業(yè)爐廢熱進行發(fā)電，效率達到7.5%。25thInternationalConferenceonThermoelectrics(ICT'06),AUG06-10,2006Vienna,AUSTRIAJournalofELECTRONICMATERIALS,Vol.38,No.7,2009印度學者利用溫差發(fā)電模塊回收生物質(zhì)干燥過程中產(chǎn)生的廢熱進行發(fā)電。前言

碲化鉍熱電材料的制備方法方法優(yōu)點缺點溶劑熱法產(chǎn)物純度高、粒度小產(chǎn)量小區(qū)熔法產(chǎn)物熱電性能優(yōu)異制備過程耗時長、耗能大磁控濺射法薄膜均勻性好、致密度高制備成本高、利用率低球磨法產(chǎn)量大、合成迅速產(chǎn)物晶粒不均勻前言

熱電材料厚膜的制備方法NavoneC等通過將Bi2Te3體系的熱電材料粉末與聚苯乙烯的甲苯溶液混合，并充分分散，制成印刷漿料，通過絲網(wǎng)印刷方法制備厚膜，通過該方法，其成功在剛性的Al2O3及柔性的樹脂基板上制備了厚度為100

m的熱電厚膜，LeeHB等研究了將ZnSb與CoSb3分散于松油醇中進行球磨，制得印刷漿料，印刷于SiO2基板上，在不同熱處理溫度下厚膜材料的熱電性能。JournalofElectronicMaterials.2010,9(39):1755-1759JournalofElectronicMaterials.2011,5(40):615-619溶解性可調(diào)前言

論文研究內(nèi)容1球磨法合成Bi2Te3,根據(jù)產(chǎn)物純度(XRD)、形貌(SEM)以及粒度分析結(jié)果，獲得優(yōu)化的制備工藝（球磨轉(zhuǎn)速、時間、球料比）。2配置適用于旋涂法制備厚膜的熱電漿料，根據(jù)厚膜熱電性能（電導率、Seebeck系數(shù)）測試結(jié)果，獲得優(yōu)化的漿料配置與厚膜后處理工藝。3搭建基于換熱結(jié)構(gòu)的溫差發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)廢熱回收利用，對比自制熱電厚膜與商用溫差發(fā)電模塊的發(fā)電性能。前言Bi2Te3熱電材料的球磨法合成Bi2Te3厚膜的制備工藝及性能研究結(jié)論、創(chuàng)新點基于換熱結(jié)構(gòu)的溫差廢熱回收裝置球磨法合成Bi2Te3

實驗裝置及流程圖原料粉末球磨助劑球磨罐設置球磨參數(shù)（轉(zhuǎn)速、時間）抽真空研磨過篩樣品表征純度(XRD)形貌(SEM)激光粒度獲得優(yōu)化的球磨工藝不銹鋼磨球球磨YesNo球磨法合成Bi2Te3

球磨工藝研究高球磨轉(zhuǎn)速與大球料比有利于碲化鉍的合金化。完全合金化后，繼續(xù)增加球磨時間會對晶粒長大有促進作用，對樣品熱電性能造成不利影響。球磨法合成Bi2Te3

球磨工藝研究（a）（b）球磨產(chǎn)物顆粒形狀不規(guī)則，尺寸分布不均，與文獻報導情況一致。球料比對于產(chǎn)物顆粒形貌及尺寸的影響不大，該兩種球磨參數(shù)下樣品的顆粒尺寸均集中在1

m附近。10:115:1前言Bi2Te3熱電材料的球磨法合成Bi2Te3厚膜的制備工藝及性能研究結(jié)論、創(chuàng)新點基于換熱結(jié)構(gòu)的溫差廢熱回收裝置

厚膜制備實驗流程圖碲化鉍粉末粘結(jié)劑、助劑按比例混合熱電漿料成膜質(zhì)量研磨細化、過篩No恒溫超聲、攪拌恒溫超聲、攪拌旋涂熱電厚膜Yes冷等靜壓熱處理產(chǎn)物表征（SEM、DSC-TGA）YesNo性能測試(電導率、Seebeck系數(shù)、功率因子)獲得優(yōu)化的厚膜制備工藝一種測試膜狀熱電材料Seebeck系數(shù)的方法及其測試裝置。專利申請?zhí)?01210586343.1（發(fā)明）

厚膜制備PEDOT：PSS法PEDOT:PSS(分子結(jié)構(gòu)式見右邊圖片)是聚乙撐二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸鹽)的簡稱，是一種高分子聚合物的水溶液，電導率很高。低速(rpm)高速(rpm)m1(mg)m2(mg)h(nm)5005002251.012250.2140650010002297.422297.06625100015002280.262279.95538

厚膜制備PEDOT：PSS法二甲基亞砜（DMSO）的加入能夠大幅提高PEDOT：PSS的電導率，5wt%DMSO為最佳添加比例。碲化鉍與PEDOT：PSS混合后成膜性能不佳，原因在于Bi2Te3顆粒親水表面積較大，破壞了PEDOT：PSS水溶液的乳液結(jié)構(gòu)，導致分散效果不佳。PEDOT:PSS厚膜照片左：PEDOT:PSS中：PEDOT:PSS+5wt%DMSO右：PEDOT:PSS+5wt%DMSO+10wt%碲化鉍厚膜制備PS-TOL法聚苯乙烯（PS）是一種常用的熱塑性塑料，其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度較高，常用作耐高溫容器的制作。在本實驗中，主要利用其在甲苯（TOL）中溶解后具有較好的流動性及粘結(jié)性，作為制備漿料的溶劑與粘結(jié)助劑。厚膜制備PS-TOL法漿料配置工藝優(yōu)化（熱電粉末與粘結(jié)助劑配比）改變熱電粉末與粘結(jié)助劑配比，測得粉、液比為3:1時，厚膜具有最大的功率因子。3:2的粉、液比下厚膜的附著力比3:1要好很多，且對碲化鉍粉末的用量更少，故將3:2的粉、液比作為最優(yōu)化的配置比例厚膜制備PS-TOL法漿料配置工藝優(yōu)化（聚苯乙烯與甲苯配比）改變甲苯與聚苯乙烯配比，測得聚苯乙烯以2:11的比例溶于甲苯中時，厚膜具有最大的功率因子，且三種配比下的樣品功率因子均隨著環(huán)境溫度的升高而增大。

厚膜制備PS-TOL法后處理工藝優(yōu)化（熱處理溫度）提高厚膜熱處理溫度，有利于增大其熱電性能，但過高的熱處理溫度，會降低膜層與基片結(jié)合力，使得厚膜機械性能降低。厚膜制備PS-TOL法后處理工藝優(yōu)化（熱處理與冷等靜壓先后次序）較低測試溫度區(qū)間內(nèi)，先冷等靜壓后熱處理的樣品具有略高的功率因子。當測試溫度上升至120oC以上時，先熱處理后冷等靜壓的樣品具有較高的功率因子。前言Bi2Te3熱電材料的球磨法合成Bi2Te3厚膜的制備工藝及性能研究結(jié)論、創(chuàng)新點基于換熱結(jié)構(gòu)的溫差廢熱回收裝置廢熱回收裝置層間溫差型一種利用廢熱進行發(fā)電的裝置及利用該裝置進行發(fā)電的方法。專利公開號：102364867A（發(fā)明）

廢熱回收裝置層間溫差型溫差發(fā)電片串聯(lián)連接，可獲得較大輸出電壓及功率。系統(tǒng)冷、熱端在穩(wěn)定工作情況下，具有較大溫度差。廢熱回收裝置層間溫差型層間溫差發(fā)電系統(tǒng)正常工作時，冷、熱端溫差最大可達140oC，一片溫差發(fā)電片的輸出電壓可達到3.76V。層間溫差發(fā)電系統(tǒng)中采用的溫差發(fā)電片在100oC至170oC的熱端溫度下具有較好的發(fā)電能力。

廢熱回收裝置壁面溫差型電加熱空氣作為熱流體，自來水作為冷流體。PT100電阻式溫度傳感器采集壁面溫度信號。熱電偶采集流體進出口溫度信號。廢熱回收裝置壁面溫差型進口采用商用塊體溫差發(fā)電PN結(jié)，出口采用熱電厚膜。進口溫差可達25oC，出口為10oC。熱電厚膜發(fā)電性能隨時間先增大后降低，最大值與塊體顆粒相當，為0.3mV/oC。前言Bi2Te3熱電材料的球磨法合成Bi2Te3厚膜的制備工藝及性能研究結(jié)論、創(chuàng)新點基于換熱結(jié)構(gòu)的溫差廢熱回收裝置結(jié)論1、實驗得到最優(yōu)化的球磨法制備碲化鉍熱電材料的參數(shù)，并考察得到PS-TOL法配置熱電厚膜漿料的最優(yōu)工藝配方。2、對于PS-TOL法制備的碲化鉍厚膜，采用熱處理及冷等靜壓處理能夠有效改善樣品的熱電性能。3、搭建了層間與壁面兩套溫差發(fā)電系統(tǒng)，實現(xiàn)了熱電材料在低溫廢熱回收利用方面的應用。創(chuàng)新點1開發(fā)了PS-TOL法制備熱電漿料