随着汽车尾气余热、工业余热等低品位热源的不断增加,利用温差热电材料的热电转换特性对余热进行回收,受到了广泛的关注。目前,作为温差发电器基础构件的热电臂存在热电性能较低、机械性能较差等问题,无法实现对多余热能的高效率以及长期稳定的回收。其中,热电材料的成形工艺是影响热电臂的热电性能与机械性能的关键所在。为此,本文结合国家自然科学基金项目“基于热电材料的层叠阵列型温差发电器构件及其半固态粉末微成形理论与方法研究”(资助号:51175460)和教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目“功能梯度型温差热电臂的半固态粉末微成形机理和制造工艺研究”(资助号:NCET-13-0518),采用理论和实验研究相结合的方式,开展了以低温热电材料碲化铋(Bi2Te3)为主要研究对象的热电臂成形制造工艺研究,并分析了成形制造工艺对热电臂整体热电性能与机械性能的影响。第1章,阐述了本论文的研究背景和意义,综合分析了当前国内外多段型热电臂结构优化设计方法、Bi2Te3基块成形工艺、以及多段型热电臂连接制造方面的研究现状,并提出了本论文的主要研究内容及论文各章节之间的体系结构。第2章,针对单段型热电臂存在热电转换效率低下和温度适用范围较窄的问题,设计了 一种由Bi2Te3材料和PbTe材料构成的多段型热电臂。针对该多段型热电臂,建立了多段型热电臂的性能分析数学模型。基于该性能分析数学模型,分别计算获得了以热电转换效率和热电输出功率为优化目标时的最优Bi2Te3/PbTe长度比例。在优化结果的基础上,分析了不同优化目标下热电臂内部的温度、电势、及热流量分布的情况,以及相应的负载电阻匹配规律。第3章,测试了 Bi2Te3材料的半固态温度区间,采用半固态粉末成形方法,制备了具备介观尺度孔隙特征的Bi2Te3基块,有效地降低了 Bi2Te3基块的晶格热导,提升了 Bi2Te3基块的热电性能。进一步研究了半固态成形法过程中介观尺度孔隙结构特征形成的机理,理论分析了介观尺度孔隙结构特征对于晶格热导率的影响,通过对热电性能参数的测试,比较了半固态粉末成形与其它成形方法制备Bi2Te3基块在热电性能方面的差异。第4章,采用带有超声振动辅助的热压成形方法制备了具有细化晶粒特征的Bi2Te3基块,通过晶粒细化增强了晶界声子散射,提升了热电性能。研究了超声振动在粉末压实过程中的位错产生机制。通过对块体微观形貌和组织结构的表征,揭示了超声作用时间和最终块体晶粒尺寸之间的关联性。通过超声辅助热压成形,有效减小了 Bi2Te3基块的晶粒尺寸,同时改善了基块的热电性能和机械性能。第5章,在Bi2Te3基块的半固态成形和超声辅助热压成形研究基础上,为进一步优化晶粒形貌,在提高基块热电性能的同时大幅改善基块的机械性能,提出了超声辅助半固态成形工艺用于Bi2Te3基块的成形。通过在热电材料半固态温度区间施加单轴压力和超声振动,成功制备了具备圆盘状细化晶粒形貌特征的热电块体。研究了在半固态温度区间内,不同超声启振温度对于基块微观形貌的作用规律,通过对基块的热电性能与机械性能的测试,发现圆盘状晶粒在降低材料的晶格热导的同时,可大幅提升材料的弯曲强度和维氏硬度。对于三种不同的基块成形工艺进行比较,其中,半固态成形法的优点是通过降低基块的晶格热导率,使基块获得最高的热电性能,但机械性能方面不理想;超声辅助热压成形法能够同时提升基块的热电性能与机械性能,但是两者提升的幅度较为适中;超声辅助半固态成形法的优点是能够提升块体的机械性能,幅度较大,但热电性能的提升较为适中。综合的讲,三种成形方法各有自身突出的优点,需要根据使用需求进行选择。第6章,采用镀镍工艺与Sn5Pb92.5Ag2.5连接工艺,制造了 Bi2Te3-PbTe多段型热电臂。实验结果证明镀镍工艺对于热电臂连接处的元素扩散具备良好的抑制作用,并且使用Sn5Pb92.5Ag2.5作为连接材料可以获得理想的多段型热电臂连接层强度。以连接层的微观形貌与元素分布的观察结果为基础,分析了不同连接层厚度对于连接层接触电阻和连接强度的影响。搭建了热电性能与机械性能测试平台,测试了以优化厚度后的Sn5Pb92.5Ag2.5为连接材料的Bi2Te3-PbTe多段型热电臂的整体热电性能与机械性能。第7章,对本文的主要研究工作进行了总结与展望。