多场耦合作用下可穿戴式柔性热电器件性能及疲劳寿命研究

【作者】 范世发； 高原文； 李志强；

【机构】 兰州大学； 太原理工大学；

【摘要】 可穿戴柔性热电器件可贴合各种曲面并集成于各类智能设备中,实现自主长期甚至永久性的免维护能源供给,为电源与电子设备的集成提供了极具潜力的方案,在军事、工业、医疗、信息、物联网及无线传感器网络等领域具有显著的应用价值。然而,脆性热电材料因内部裂纹产生的疲劳扩展问题,会影响此类设备的使用寿命。鉴于此,本研究构建了热力耦合作用下带有贯穿厚度裂纹的可穿戴式柔性热电器件三维数值模型。该模型虑及人体热量和接触电阻,系统探究了柔性基底厚度、散热端对流系数以及弯曲半径对可穿戴式柔性热电器件的输出功率密度、转换效率和疲劳寿命的影响。研究结果显示:人体热量的增加虽然能提升热电性能,但同时会使疲劳寿命缩短;去除冷端柔性基底并使用高效散热器,能够同时改善热电性能和延长疲劳寿命;值得注意的是,随着弯曲半径的减小,疲劳寿命会先降低后升高,这是因为裂纹闭合效应会对疲劳裂纹的扩展产生影响;为了避免疲劳加速并优化设备的耐久性,应避开弯曲半径约为14.33mm的应用环境。研究结果为可穿戴式柔性热电器件的结构优化设计和长期可靠的工程应用提供了重要的理论依据。更多还原