本發明涉及熱電，尤其涉及工業生產過程中的高溫余熱回收。

背景技術：

1、在工業生產過程中，大量高溫余熱被直接排放，不僅造成能源浪費，還對環境產生不利影響。據統計，工業領域的高溫余熱占總能耗的20％-50％，若能有效回收利用，將顯著提高能源利用效率并減少碳排放。

2、熱電轉換技術作為一種直接將熱能轉換為電能的技術，因其結構簡單、無運動部件、可靠性高等優點，在余熱回收領域具有廣闊的應用前景。然而，傳統熱電材料的熱導率較高，熱電優值(zt值)較低，限制了其在實際應用中的效率。

3、近年來，納米線結構因其獨特的聲子散射效應和量子局域效應，展現出優異的熱電性能，成為研究熱點。特別是硅鍺納米線，由于其良好的熱電性能和高溫穩定性，被認為是一種理想的熱電材料。然而，傳統的隨機無序硅鍺納米線在熱導率降低方面仍存在局限性，難以滿足高效熱電轉換的需求。

4、綜上，目前亟需對硅鍺納米線進行優化設計，以提升其熱電轉換效率，實現高溫余熱的高效回收。

技術實現思路

1、本發明提出了基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，解決了現有硅鍺納米線所存在的在熱導率降低方面仍存在局限性，難以滿足高效熱電轉換的需求的問題。

2、本發明所述的基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，所述系統包括熱電轉換模塊、冷源區以及電能輸出模塊：

3、所述熱電轉換模塊位于熱源區下方，用于收集熱源區的高溫余熱的熱量以產生電能；

4、所述熱電轉換模塊包括導熱層以及熱電材料層；所述熱電材料層由空間關聯無序硅鍺納米線構成；在所述空間關聯無序硅鍺納米線中，鍺原子的分布為空間關聯無序分布；

5、所述導熱層設置在熱電材料層的上下兩側，用于將熱源區傳遞過來的熱量均勻分布到熱電材料層上，并將熱電材料層的熱量均勻發散到冷源區；

6、所述熱電材料層用于響應熱源區和冷源區之間的溫差，發生熱電效應產生電流；

7、所述冷源區位于熱電轉換模塊下方；所述冷源區的溫度低于熱源區，用于為熱電材料層提供溫差，以實現熱電效應；

8、所述電能輸出模塊用于將熱電轉換模塊產生的電能輸出至外部電路。

9、進一步的，提供一個優選實施方式，所述導熱層的厚度為0.4～0.6mm。

10、進一步的，提供一個優選實施方式，所述導熱層的材料為銅、鋁、鎢合金、石墨或碳化硅中的一種。

11、進一步的，提供一個優選實施方式，所述冷源區與熱源區的橫截面尺寸相同，以為熱電材料層提供均勻的溫差。

12、進一步的，提供一個優選實施方式，所述冷源區相比熱源區溫度低20℃至100℃。

13、進一步的，提供一個優選實施方式，所述系統還包括封裝板；所述封裝板設置在熱源區和熱電轉換模塊之間。

14、進一步的，提供一個優選實施方式，所述熱電材料層的厚度為100微米至10毫米。

15、進一步的，提供一個優選實施方式，所述鍺原子的分布為空間關聯無序分布：

16、鍺原子空間坐標與相鄰鍺原子距離相關，其相關性隨鍺原子間距離呈冪律衰減：

17、c(r)～|r|-a

18、其中，a為相關性參數，r為相鄰鍺原子距離。

19、進一步的，提供一個優選實施方式，在所述空間關聯無序硅鍺納米線中，鍺原子的濃度為10％～20％。

20、進一步的，提供一個優選實施方式，所述空間關聯無序硅鍺納米線的采用以下制備工藝方法制作：

21、材料選擇步驟：選擇硅和鍺作為納米線合金成分，調整其比例以實現所需的無序程度；

22、晶格匹配與失配步驟：通過外延生長方法，在襯底上沉積出硅鍺合金薄膜，所述襯底的晶格常數與硅鍺合金不同，以引入晶格失配，從而產生空間關聯無序結構；

23、熱處理步驟：在采用外延生長方法完成硅鍺合金薄膜的生長后進行退火處理，以調整無序程度和相關性；

24、圖形化處理步驟：使用電子束光刻或納米壓印技術，在硅鍺合金薄膜上定義納米線圖案；

25、刻蝕工藝步驟：采用反應離子刻蝕技術，在硅鍺合金薄膜上按照納米線圖案刻蝕出納米線結構，完成空間關聯無序硅鍺納米線的制作。

26、本發明有以下有益效果：

27、1.本發明所述的基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，通過優化硅鍺納米線的微觀結構設計，即引入空間關聯無序分布，與傳統熱電材料相比實現了更優異的熱電性能；具體地：能夠有效抑制聲子熱輸運，從而顯著降低硅鍺納米線的熱導率；同時，電子輸運性能得以保持或優化，從而使得硅鍺納米線整體的熱電優值(zt值)大幅提升；最終實現更高效的熱電轉換和余熱回收。。

28、2.本發明所述的基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，通過引入空間關聯無序分布優化硅鍺納米線的微觀結構設計，使得優化后的硅鍺納米線在高溫下依然能夠保持較高的熱電性能，有效增強了高溫余熱回收系統的熱電轉換能力，同時拓寬了其在高溫環境下的應用范圍，可廣泛適用于各類高溫工業場景，如冶金、化工、電力、汽車工業、航天等領域的高溫余熱回收。

29、本發明所述的基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，適用于工業生產過程中的高溫余熱回收。

技術特征：

1.基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，其特征在于，所述系統包括熱電轉換模塊、冷源區以及電能輸出模塊：

2.根據權利要求1所述的基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，其特征在于，所述導熱層的厚度為0.4～0.6mm。

3.根據權利要求1所述的基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，其特征在于，所述導熱層的材料為銅、鋁、鎢合金、石墨或碳化硅中的一種。

4.根據權利要求1所述的基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，其特征在于，所述冷源區與熱源區的橫截面尺寸相同，以為熱電材料層提供均勻的溫差。

5.根據權利要求1所述的基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，其特征在于，所述冷源區相比熱源區溫度低20℃至100℃。

6.根據權利要求1所述的基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，其特征在于，所述系統還包括封裝板；所述封裝板設置在熱源區和熱電轉換模塊之間。

7.根據權利要求1所述的基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，其特征在于，所述熱電材料層的厚度為100微米至10毫米。

8.根據權利要求1所述的基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，其特征在于，所述鍺原子的分布為空間關聯無序分布：

9.根據權利要求8所述的基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，其特征在于，在所述空間關聯無序硅鍺納米線中，鍺原子的濃度為10％～20％。

10.根據權利要求9所述的基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，其特征在于，所述空間關聯無序硅鍺納米線的采用以下制備工藝方法制作：

技術總結
基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，屬于熱電技術領域，尤其涉及工業生產過程中的高溫余熱回收；解決了現有硅鍺納米線所存在的在熱導率降低方面仍存在局限性，難以滿足高效熱電轉換的需求的問題；所述系統包括熱電轉換模塊、冷源區以及電能輸出模塊；所述熱電材料層用于響應熱源區和冷源區之間的溫差，發生熱電效應產生電流。所述的基于空間關聯無序硅鍺納米線的高溫余熱回收系統，適用于工業生產過程中的高溫余熱回收。

技術研發人員：易紅亮,張薇,熊世云,郭洋裕,李有田
受保護的技術使用者：哈爾濱工業大學
技術研發日：
技術公布日：2025/4/28