准晶体基固态热二极管及其热管理应用研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2025.09.013

摘要/Abstract

摘要：

作为一种具有单向传热特性的材料，热二极管在新能源汽车整车热管理系统中具有广阔的应用前景。本研究基于大型材料物性数据库，筛选并优化材料组合，以构建高性能复合固态热二极管。通过一维模型分析与有限元模拟结果表明，优化后的准晶体基固态热二极管可实现3.2的热整流比，显著提升热管理效率。该研究为固态热二极管在新能源汽车热管理领域的应用提供了重要的理论支撑与实践指导。

关键词: 热二极管, 热整流, 准晶体, 热流模拟

Abstract:

Thermal diodes， with unidirectional heat transfer properties， have great potential in the thermal management systems of electric vehicles. In this study， based on a large materials property database， the optimal material combinations are screened to construct high-performance composite solid-state thermal diodes. Through one-dimensional model and finite element simulation， the results show that the thermal rectification ratio of the optimized quasicrystal-based solid-state thermal diode can reach 3.2， significantly improving thermal management efficiency. This research provides key theoretical and practical insights for applying solid-state thermal diodes in electric vehicle thermal management.

Key words: thermal diode, thermal rectification, quasicrystal, heat transfer simulation

张晋嘉,文晗,刘勇,汪轲. 准晶体基固态热二极管及其热管理应用研究[J]. 汽车工程, 2025, 47(9): 1773-1781.

Jinjia Zhang,Han Wen,Yong Liu,Ke Wang. Study on Quasicrystal-Based Solid-State Thermal Diodes and Application in Thermal Management[J]. Automotive Engineering, 2025, 47(9): 1773-1781.

图/表 10

图1

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参考文献 19

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排名	材料A（R > 2）	R	材料B（R < 0.3）	R
1	Al_0.01（CuO）_0.99 （纳米片）	13.38	CuAgSe	0.16
2	Al_0.03（CuO）_0.97 （纳米片）	10.66	CuAg_0.05Ga_0.95Te₂	0.18
3	Al_0.005（CuO）_0.995 （纳米片）	10.01	Zn_0.02CuAgSe	0.21
4	Al_0.05（CuO）_0.95 （纳米片）	7.62	Ni_0.02CuAgSe	0.23
5	（SiO₂）_x（Al₂O₃）_y （颗粒陶瓷）	6.00	Co_0.02CuAgSe	0.23
6	CuO（纳米片）	5.55	MoTe_1.96I_0.04	0.24
7	Ga_0.05Sn_0.95Bi₂Te₄	3.86	MoTe_1.97I_0.03	0.24
8	Al_0.02（ZnO）_0.98 （纳米结构陶瓷）	3.40	CuGaTe₂	0.24
9	La_0.067Sr_0.9TiO₃C_0.09 （纳米复合材料）	3.30	In₂Se₃	0.25
10	Al_61.5Cu_26.5Fe₁₂（QC）	3.19	Cu_1.8Sn_0.1Mn_0.1S	0.25
11	Al_63.2Cu_24.2Pt_0.9Fe_11.3 （QC）	2.84	PbTeKNa	0.26
12	Al₆₂Cu_25.5Fe_12.5（QC）	2.82	MoTe_1.98I_0.02	0.27
13	Au₄₉Al₃₆Tm₁₅	2.80	Fe₂O₃	0.27
14	SnBi₄Te₇	2.78	In₂O₃	0.27
15	Ag₂Se	2.76	CdTe_0.995Cl_0.005	0.28
16	La_0.9Sr_0.1CoO₃	2.71	MoTe_1.99I_0.01	0.29
17	Al_63.2Cu_23.8Pt_1.7Fe_11.3 （QC）	2.56	Zn_0.98Al_0.02O	0.29
18	Au₄₉Al₃₆Tm₁₅	2.55	BeO	0.29
19	Al_63.1Cu_24.2Au_0.9Fe_11.8 （QC）	2.52	Cu₂CdSnSe₄	0.29
20	Na_0.4Co_0.2Ti_0.8O₂	2.45	Cu₂ZnGeS₄	0.29

排名	材料 A			材料 B		X	TRR_max（600 K）	TRR_max（700 K）
排名	化学组成	R	注释	化学组成	R	X	TRR_max（600 K）	TRR_max（700 K）
1	Al_61.5Cu_26.5Fe₁₂	3.19	QC	CuAgSe	0.16	0.62	2.58	3.18
2	Al_63.2Cu_24.2Pt_0.9Fe_11.3	2.84	QC	CuAgSe	0.16	0.57	2.47	3.15
3	Au₄₉Al₃₆Tm₁₅	2.80		CuAgSe	0.16	0.78	2.42	2.95
4	Al₆₂Cu_25.5Fe_12.5	2.82	QC	CuAgSe	0.16	0.53	2.41	3.01
5	Ga_0.05Sn_0.95Bi₂Te₄	3.86		CuAgSe	0.16	0.39	2.38	2.94
6	Al_61.5Cu_26.5Fe₁₂	3.19	QC	Ni_0.02CuAgSe	0.23	0.64	2.36	2.79
7	Al_63.2Cu_23.8Pt_1.7Fe_11.3	2.56	QC	CuAgSe	0.16	0.56	2.35	3.01
8	Ag₂Se	2.76		CuAgSe	0.16	0.66	2.34	2.53
9	Au₄₉Al₃₆Tm₁₅	2.55		CuAgSe	0.16	0.78	2.33	2.88
10	Al_61.5Cu_26.5Fe₁₂	3.19	QC	Zn_0.02CuAgSe	0.21	0.65	2.32	2.83

传热方式	配置方向	Q_in/W	Q_out/W	Q_rad/W	Q_rad/ Q_in
仅导热	正向（for）	5.80	5.80
仅导热	反向（rev）	1.82	1.82
导热，辐射，无铝制辐射屏蔽	正向（for）	6.35	5.66	0.69	10.8%
导热，辐射，无铝制辐射屏蔽	反向（rev）	2.03	1.74	0.29	14.0%
导热，辐射，有铝制辐射屏蔽	正向（for）	6.12	5.78	0.34	5.66%
导热，辐射，有铝制辐射屏蔽	反向（rev）	1.93	1.86	0.07	3.94%