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

Abstract

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

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.

Figures/Tables 10

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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%

Study on Quasicrystal-Based Solid-State Thermal Diodes and Application in Thermal Management

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