热电器件是一种绿色的能量转换装置,它是利用热电材料的热电效应,以电子输运的方式直接实现热能和电能的相互转换。目前,热电转换效率相对较低,致使热电器件的应用价值受到了极大的限制。如何提高热电转换效率成了热电领域的关键科学问题。本文对多晶热电膜材的热电转换系数以及热电器件的热-电耦合和热-力耦合性能进行了系统研究,以期为热电材料和热电器件性能的改善提供理论参考。首先,基于Boltzmann输运理论,通过分析热电材料微结构的电子分布特征,引入透射系数和反射系数分别描述电子-晶界散射水平和电子-膜面散射水平,并将界面对电子的散射作用处理为电子分布函数的边界条件,得到了同时考虑晶界效应和膜面效应的多晶热电膜材Seebeck系数和电导率的一般解析表达。理论预测了Seebeck系数和电导率的厚度尺寸效应以及随着晶粒个数和散射系数的变化规律。计算发现,与膜面散射作用相比,晶界散射作用对Seebeck系数和电导率的影响更显著。为了揭示磁场环境对热电特性参数的影响,本文在忽略膜表面对电子输运影响的前提下,将晶界对电子的散射作用处理为电子分布函数的周期性边界条件,通过分析单个晶粒内的电子分布特征,建立了Seebeck系数和电导率的磁场效应的理论模型。计算结果显示,Seebeck系数和电导率还表现出晶粒尺寸效应；磁场的施加增加了电子态密度,导致材料的热电性能得到了明显改善。其次,利用传热学理论和有限元方法,建立了分别适用于小温差和大温差稳态环境下的线型结构热电器件的输出性能的计算模型。对所提出的计算模型进行了相互验证,同时研究了输出功率和转换效率对热电偶几何尺寸的依赖性。此外,考虑到实际的热供应环境总是变化的,本文将热源温度处理为热电器件的随时间变化的热边界条件,建立了描述线型热电器件动态响应特征的数值模型。针对升温过程和降温过程,分别研究了热载荷加载方式、热载荷到达稳定的时间以及热电偶几何尺寸对输出功率和转换效率的影响。研究结果给出了一些尺寸的优化参考标准。结果显示,与传统π结构热电器件相比,线型结构热电器件的设计性更灵活,输出性能更优异。在动态热供应下,由于热电偶上热扩散的延迟,热电偶内部出现一个高温源使得器件向外部环境释放热量,形成了一个依靠自身供热来发电的过程。这个过程的持续时间可以通过改变操作条件进行控制。最后,采用分段的方式对两种不同热电材料进行复合构成功能梯度热电腿,并建立了用于评估分段热电发电器件的热电输出性能和力学性能的三维有限元模型。基于热-电耦合计算,揭示出不同分段方案和操作温度对器件的转换效率的影响。然后基于热-力耦合计算,对不同工况下的器件进行力学强度评估和力学可靠性分析,并对热-电耦合行为进行检验,确定出力学性能较优且转换效率较高的实际的优化工况。研究结果表明：分段材料器件的效率大于单一材料器件的效率；在给定的操作温度下,一些分段条件并不能满足材料的强度要求,也并不是在所有操作温度下器件的转换效率均能达到最大设计值。因此,热电器件的结构设计在考虑效率的最大化时,还应兼顾材料的力学可靠性。综上所述,本文通过对多晶热电膜材的热电特性参数的研究,丰富和发展了已有关于低维／纳米结构热电材料尺度效应的理论,提供了理解多晶热电材料电子输运特征以及电子散射机制的途径,也为预测磁场环境对热电材料性能的影响提供了理论依据。此外,对线型热电器件和分段热电器件的热-电-力学性能的研究,不仅展示了新型结构器件的设计优势和性能优势,加强了对热电器件服役行为的进一步认识,还为热电器件的优化设计提供了新的思路和方法。