CN111337363A - 一种热电材料性能测试的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种热电材料性能测试的装置和方法装置呈圆筒状，竖直，隔温，并可以分离为上、下两个部分；使用本发明的装置对热电材料进行试验时，试件热端采用加热丝加热，可以达到汽车尾气的温度，整个试件置于冷端温度的空气中，与实际所处情况相同，施加的循环荷载能模拟汽车启动状态的振动环境，因此试验环境更接近汽车尾气发电器中的热电材料的工况；现有的试验装置或是只能测试热电材料的疲劳性能，或是只能在静压力作用下测试热电材料的热电性能，本发明的装置及方法可以同时得到热电材料的力学和热电性能在疲劳过程中的变化情况，进而为汽车尾气发电器的设计和寿命预测提供支撑，有利于推动热电材料在尾气余热发电中的研究及应用。

Description

一种热电材料性能测试的装置和方法
技术领域
本发明属于材料测试技术领域，具体涉及一种热电材料性能测试的装置和方法。
背景技术
近年来，现代工业发展使不可再生能源消耗量急剧增加，能源供需矛盾越来越突出。汽车工业作为我国支柱产业之一，随着汽车保有量逐年增大，所消耗能源占各行业总能源消耗的比例越来越高，因此，汽车节能问题倍受关注。
近年来，热电发电作为一种绿色环保的能源技术得到了快速发展，它可以回收汽车尾气中的人废热，又能为汽车电力系统提供电能，是提高汽车能源利用率的有效方法之一。热电材料直接将热能转化为电能进行发电，该发电方式具有性能稳定、无噪音、无磨损、体积小、重量轻、使用寿命长等优点。然而，当热电材料用于回收汽车尾气废热时，材料与车体相连，难免会承受机械振动作用，这对热电材料的力学性能和稳定性提出了严格的要求。因此在某种程度上，热电材料在承受疲劳作用后，剩余的力学性能和热电性能决定热电材料是否能在汽车尾气发电方面大规模应用的关键因素。但对目前于热电材料疲劳下的力学性能和热电性能的研究报道却很少。
热电材料在循环荷载作用下，随着循环次数的不断增加，材料的初始微损伤处的裂纹、微孔洞或微缺位慢慢扩展最终导致材料崩裂，进而热电发电器件失效。在裂纹的形成和扩展的过程中，除了力学性能外，热电材料的热电性能也会随之发生变化，但是目前没有这样的装置，可以测量热电材料在循环荷载作用下的力学热电性能的变化情况。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种热电材料性能测试的装置和方法，可以以更简单的装置结构、更低的能耗实现更接近热电材料实际工况的试验环境，完成对热电材料的特性测试。
一种热电材料性能测试装置，包括疲劳试验机、恒温供气系统、上传力柱(102)、下传力柱(202)以及互相套接的上部隔温基体(101)和下部隔温基体(201)；
上部隔温基体(101)的正中间设有沿轴向的圆柱形通孔(108)，圆柱形通孔(108)的外围设有一圈贯通的隔温进气道(106)；隔温进气道(106)的外围设有一圈贯通的控温进气道(105)，圆柱形通孔(108)与每个隔温进气道(106)之间设有若干沿径向延伸且联通两者的隔温出气道(107)；
所述上传力柱(102)穿过圆柱形通孔(108)，上传力柱(102)的下端固连金属蓄冷片(103)上表面，金属蓄冷片(103)下表面固连冷端电极(104)，待测试件(3)的上端紧贴在冷端电极(104)上；
所述下部隔温基体(201)为上端开口的中空筒状结构，在其下底面上正对上部隔温基体(101)的圆柱形通孔(108)的位置加工有通孔；下传力柱(202)穿过下部隔温基体(201)下底面的通孔，上端依次固连保温层203、加热丝204、蓄热块205及热端电极(206)；待测试件(3)的下端紧贴在热端电极(206)上；
所述下部隔温基体(201)内壁上设有分别用于测试待测试件(3)冷端和热端温度的冷端红外测温装置(208)和热端红外测温装置(209)；
所述冷端电极(104)和热端电极(206)用于测试待测试件(3)的电流和电压；
所述恒温供气系统用于产生气体，该气体的温度为尾气发电器在实际工况中的温度，并以一定的流速输送至隔温进气道(106)，使待测试件(3)的上端温度保持在设定温度；
所述加热丝(204)用对对待测试件(3)下端温度进行控制；
所述疲劳试验机用于通过上传立柱(102)和下传力柱(202)向待测试件(3)施加外力，模拟尾气发电器的实际受力情况。
较佳的，所述恒温供气系统产生的气体温度在-50℃～+50℃。
进一步的，下部隔温基体(201)内壁上设有导轨(207)，热端红外测温装置(209)和冷端红外测温装置(208)设置在所述导轨(207)上，并可在其上上、下移动。
一种基于上述热电材料性能测试装置的测试方法，包括：
步骤一、使得热端红外测温装置(209)对准待测试件(3)的下端，冷端红外测温装置(208)对准待测试件(3)的上端，以测量待测试件(3)两端的温度；记录两个测温装置之间的距离为L；
步骤二、调节疲劳试验机的上液压夹头(4)，使其夹紧上传力柱(102)，下液压夹头(5)夹紧下传力柱(202)；
步骤三、根据试验要求，将恒温供气系统产生气体的温度调至设定温度T，并通如控温进气道(105)；再将恒温供气系统产生的气体通入隔温进气道(106)中；
步骤四、启动热端加热丝(204)，通过两个红外测温装置测得待测试件的冷、热端温度，并反馈给恒温供气系统和加热丝功率控制器，使待测试件(3)的两端温度满足试验要求，记录温度差为ΔT；然后启动疲劳试验机，施加循环荷载，并通过电压、电流监测装置记录待测试件两端电压差ΔV和电流I；
步骤五、根据记录的数据算出Seebeck系数为α＝ΔV/ΔT；电导率σ＝I·L/ΔV·S，其中试件通过的电流为I，试件的横截面积为S。
本发明具有如下有益效果：
本发明针对汽车尾气发电装置中的热电材料，公开了一种该材料性能测试的装置和方法；本发明装置呈圆筒状，竖直，隔温，并可以分离为上、下两个部分；使用本发明的装置对热电材料进行试验时，试件热端采用加热丝加热，可以达到汽车尾气的温度，整个试件置于冷端温度的空气中，与实际所处情况相同，施加的循环荷载能模拟汽车启动状态的振动环境，因此试验环境更接近汽车尾气发电器中的热电材料的工况；现有的试验装置或是只能测试热电材料的疲劳性能，或是只能在静压力作用下测试热电材料的热电性能，本发明的装置及方法可以同时得到热电材料的力学和热电性能(Seebeck系数、电导率)在疲劳过程中的变化情况，进而为汽车尾气发电器的设计和寿命预测提供支撑，有利于推动热电材料在尾气余热发电中的研究及应用；本发明结构简单、体积小，成本低廉，可在实验室中应用。
附图说明
图1为本发明装置上、下部分闭合状态的正视图。
图2为本发明装置上部分的正视图。
图3为本发明装置上部分的截面A-A的示意图。
图4为本发明装置的下部分的正视图。
图5为本发明装置的采集控制系统图。
其中，101-上部隔温基体、102-上传力柱(103-金属蓄冷块、104-冷端电极、105-控温进气道、106-隔温进气道、107-隔温出气道、108-圆柱形通孔、201-下部隔温基体、202-下传力柱、203-保温层、204-加热丝、205-金属蓄热块、206-热端电极、207-导轨、208-热端红外测温装置、209-冷端红外测温装置、3-待测试件、4-上液压夹头、5-下液压夹头。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
如图1所示，本发明提供的一种热电材料性能测试装置，包括上传力柱102、下传力柱202以及互相套接的上部隔温基体101和下部隔温基体201；
如图2和3所示，上部隔温基体101的正中间设有沿轴向的圆柱形通孔108，圆柱形通孔108的外围设有一圈贯通的隔温进气道106；隔温进气道106的外围设有一圈贯通的控温进气道105，圆柱形通孔108与每个隔温进气道106之间设有若干沿径向延伸且联通两者的隔温出气道107。
上传力柱102穿过圆柱形通孔108，上传力柱102上端直径较大，由上液压夹头4夹持，其中，上传力柱102且与圆柱形通孔108不接触，留有一定空隙。上传力柱102的下端固连金属蓄冷片103上表面，金属蓄冷片103下表面固连冷端电极104，待测试件3的上端紧贴在冷端电极104上。
如图4所示，下部隔温基体201为上端开口的中空筒状结构，在其下底面上正对上部隔温基体101的圆柱形通孔108的位置加工有通孔；下传力柱202穿过下部隔温基体201下底面的通孔，其下端被下液压夹头5夹持，上端依次固连保温层203、加热丝204、蓄热块205及热端电极206；待测试件3的下端紧贴在热端电极206上；
下部隔温基体201内壁上设有导轨207，其上有热端红外测温装置209和冷端红外测温装置208。两个测温装置可以在导轨207上移动，移动测温的范围包含整个待测试件3。
所述的冷端电极104和热端电极206为抗氧化且导电性好的金属电极，用于测试待测试件3的电流和电压。
通过疲劳试验机的上液压夹头4和下液压夹头5向待测试件3施加外力，模拟尾气发电器的实际受力情况。
根据尾气发电器的实际工况，采用恒温供气系统产生温度在-50℃～+50℃的恒温气体，并以一定的流速输送至测试装置上部，由于使待测试件3的冷端温度保持在设定温度。
热端红外测温装置209测试待测试件3的热端温度，并可将温度反馈给热端加热丝204的功率控制器，根据设定的试验温差，调节功率，以实现对待测试件3热端温度的控制。
同时，冷端红外测温装置208可以测量待测试件3的冷端温度，并可以通过温度控制系统反馈给恒温供气系统，根据设定的试验温差，调节供气温度，以实现对待测试件3的冷端温度的控制。
一种热电材料性能测试的方法，如图5所示，包括以下步骤：
步骤一：将测试装置的下传力柱202夹持在疲劳试验机的下液压夹头5上，使装置保持固定且竖直。将待测试件3放到热端电极206上，调节导轨207上两个测温装置的位置，使得热端红外测温装置209对准待测材试件3的热端，冷端红外测温装置208对准待测试件3的冷端，以测量试件冷、热两端的温度。最后记录两个测温装置之间的距离为L。
步骤二：将下部隔温基体201套接在上部隔温基体201上，并使冷端电极104与待测试件3的冷端紧密接触。调节疲劳试验机的上液压夹头4，使其夹紧上传力柱102。
步骤三：根据试验要求，将恒温供气系统产生气体的温度调至待测试件3的冷端温度T(试验的冷端温度T应该与尾气发电器在实际应用过程中所处环境的温度相同)，并通过控温进气道105，以一定的流速输送到装置内，此时装置内的压强增大，装置内的气体会沿着上隔温基体101中间的圆柱形通孔108与上传力柱102之间的缝隙流出。为了保证装置内的温度可以保持在冷端温度T，将恒温供气系统产生的气体通入隔温进气道106中，此时温度T的气体从隔温出气道107进入到圆柱形通孔108与上传力柱102之间的缝隙，以一定速度流出，因此可起到隔离外界和装置内温度的作用。这种隔温效果虽然不能实现精准控温，但是可以避免在装置中添加更多的隔温装置，简化了装置，并且尾气发电器在实际应用中的冷端温度也不是恒定温度，外界会随着汽车的行驶状态和所处环境发生改变，因此可以满足实验要求。
步骤四：启动热端加热丝204，通过两个红外测温装置测得待测试件的冷、热端温度，并反馈给恒温供气系统和加热丝功率控制器，使待测试件3的两端温度满足试验要求，记录温度差为ΔT，然后启动疲劳试验机，施加循环荷载，并通过电压、电流监测装置记录待测试件两端电压差ΔV和电流I。
步骤五：疲劳试验结束后，关闭恒温供气系统，等到装置温度与室温相同时，将上传力柱102从上液压头上拆下来，将上部隔温基体101从下部隔温基体201上取下来，再把测试完的试件3从下部隔温基体201中取出，最后将下传力柱202从下液压夹头5上拆下来，整个试验结束。
最后，根据记录的数据可算出Seebeck系数为α＝ΔV/ΔT，其中试件两端电压差为ΔV，冷热端的温度差为ΔT。电导率σ＝I·L/ΔV·S，其中试件通过的电流为I，冷热端的距离为为L，电压差为ΔV，试件的横截面积为S。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种热电材料性能测试装置，其特征在于，包括疲劳试验机、恒温供气系统、上传力柱(102)、下传力柱(202)以及互相套接的上部隔温基体(101)和下部隔温基体(201)；
上部隔温基体(101)的正中间设有沿轴向的圆柱形通孔(108)，圆柱形通孔(108)的外围设有一圈贯通的隔温进气道(106)；隔温进气道(106)的外围设有一圈贯通的控温进气道(105)，圆柱形通孔(108)与每个隔温进气道(106)之间设有若干沿径向延伸且联通两者的隔温出气道(107)；
所述上传力柱(102)穿过圆柱形通孔(108)，上传力柱(102)的下端固连金属蓄冷片(103)上表面，金属蓄冷片(103)下表面固连冷端电极(104)，待测试件(3)的上端紧贴在冷端电极(104)上；
所述下部隔温基体(201)为上端开口的中空筒状结构，在其下底面上正对上部隔温基体(101)的圆柱形通孔(108)的位置加工有通孔；下传力柱(202)穿过下部隔温基体(201)下底面的通孔，上端依次固连保温层203、加热丝204、蓄热块205及热端电极(206)；待测试件(3)的下端紧贴在热端电极(206)上；
所述下部隔温基体(201)内壁上设有分别用于测试待测试件(3)冷端和热端温度的冷端红外测温装置(208)和热端红外测温装置(209)；
所述冷端电极(104)和热端电极(206)用于测试待测试件(3)的电流和电压；
所述恒温供气系统用于产生气体，该气体的温度为尾气发电器在实际工况中的温度，并以一定的流速输送至隔温进气道(106)，使待测试件(3)的上端温度保持在设定温度；
所述加热丝(204)用对对待测试件(3)下端温度进行控制；
所述疲劳试验机用于通过上传立柱(102)和下传力柱(202)向待测试件(3)施加外力，模拟尾气发电器的实际受力情况。
2.如权利要求1所述的一种热电材料性能测试装置，其特征在于，所述恒温供气系统产生的气体温度在-50℃～+50℃。
3.如权利要求1所述的一种热电材料性能测试装置，其特征在于，下部隔温基体(201)内壁上设有导轨(207)，热端红外测温装置(209)和冷端红外测温装置(208)设置在所述导轨(207)上，并可在其上上、下移动。
4.一种基于权利要求1所述的热电材料性能测试装置的测试方法，其特征在于，包括：
步骤一、使得热端红外测温装置(209)对准待测试件(3)的下端，冷端红外测温装置(208)对准待测试件(3)的上端，以测量待测试件(3)两端的温度；记录两个测温装置之间的距离为L；
步骤二、调节疲劳试验机的上液压夹头(4)，使其夹紧上传力柱(102)，下液压夹头(5)夹紧下传力柱(202)；
步骤三、根据试验要求，将恒温供气系统产生气体的温度调至设定温度T，并通如控温进气道(105)；再将恒温供气系统产生的气体通入隔温进气道(106)中；
步骤四、启动热端加热丝(204)，通过两个红外测温装置测得待测试件的冷、热端温度，并反馈给恒温供气系统和加热丝功率控制器，使待测试件(3)的两端温度满足试验要求，记录温度差为ΔT；然后启动疲劳试验机，施加循环荷载，并通过电压、电流监测装置记录待测试件两端电压差ΔV和电流I；
步骤五、根据记录的数据算出Seebeck系数为α＝ΔV/ΔT；电导率σ＝I·L/ΔV·S，其中试件通过的电流为I，试件的横截面积为S。
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