论文部分内容阅读
热电材料是一种能够实现热能和电能互相转化的功能材料。Bi2Te3基热电材料是目前研究比较成熟的应用于低温发电的热电材料,但商用Bi2Te3基热电材料的机械性能和热电性能均较差。对于实际应用需求,热电材料还需要与金属电极连接制成热电发电器件,连接接头质量直接影响整个装置的可靠性。因此,本课题首先通过旋淬结合热压烧结的方法制备了纳米结构的高机械性能和高热电性能的Bi2Te3基热电材料,然后研究了热电材料与金属电极的钎焊连接工艺及机理。熔融旋淬是一种快速凝固技术,本试验所用的旋淬炉可使材料的冷速达到106-107 K/s,通过超快凝固可以抑制晶粒的长大。所以,本课题首先采用熔融旋淬制备了Bi2Te2.7Se0.3薄带样品,组织和结构分析显示薄带自由面晶粒在100nm-300nm之间,接触面为非晶和纳米晶混合物,薄带为Bi2Te2.7Se0.3纯相。将薄带研磨成粉然后热压烧结成块体材料,组织和结构分析显示Bi2Te2.7Se0.3仍为纯相,并且薄带中的纳米结构得以保留到块体当中。纳米压痕测试表明该纳米结构的块体材料弹性模量达到52.026GPa,比熔炼铸锭提高了33%。热电性能测试表明其热导率比商用Bi2Te3降低了27%,同时在375K时具有最高的热电优值ZT=0.84,比商用Bi2Te3提高了约68%。这说明引入的纳米结构不仅仅可以通过细晶强化提升材料的机械性能,同时也对低频声子形成了有效的增强散射,从而显著的降低了热导率,提升了热电性能。采用SnAgSb钎料直接钎焊纳米结构热电材料和Cu电极,结果表明接头Te扩散剧烈,在热电材料侧有贯穿裂纹。为了阻隔元素扩散实现高可靠性接头,利用电阻蒸镀在其表面蒸镀金属扩散阻隔层,研究发现只有Ni可以有效阻隔热电材料的扩散反应。采用SnAgSb钎料实现了表面镀Ni的Bi2Te2.7Se0.3热电材料与金属Cu的可靠连接。钎焊接头的典型界面组织结构为:Bi2Te2.7Se0.3/SnTe+BiSe/βSn+Ag3Sn+（Sb,Bi）+NiTe2+（βSn+Bi-rich）/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu。分析了钎焊温度和保温时间的变化对界面的组织形貌及接头性能的影响,随着钎焊温度的升高或者是保温时间的延长,接头的抗剪强度均呈现出先增大后减小的规律。当钎焊温度T=300℃,保温时间t=5min时,接头抗剪强度最高达到15MPa。最后,通过对接头界面产物的吉布斯自由能进行计算,结合钎焊接头界面的典型组织结构,发现钎缝中界面组织结构的演化过程分为钎料熔化、元素扩散、界面反应、降温凝固等四个阶段。