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PbTe基热电电极接头界面扩散与反应及电极材料优化

夏海洋  
【摘要】:PbTe基热电器件能直接将热能转化为电能而发电,主要应用于太空探测器电源、汽车废热回收和工业废热利用。目前,PbTe基热电电极接头主要采用机械方法连接,导致器件重量增加、结构复杂和使用不便,接头接触电阻和热阻也较大,降低了器件热电转化效率;另外,PbTe基热电电极接头高温端要求在550oC及一定应力条件下长期稳定工作,因此接头制备难度较大。本论文以开发高性能PbTe基热电电极接头为目标,期望获得综合性能良好的冶金结合接头。本论文首先采用一步热压烧结法进行Ni/PbTe、Nb/PbTe、Fe/PbTe和Mo/PbTe四种热电电极接头的连接试验,研究了接头的界面结构,分析了接头界面扩散与反应行为,讨论了接头界面结构形成机制。对Ni/PbTe接头而言,Ni与PbTe可能形成共晶液相,界面既可能发生液固或固固等置换反应生成Ni3±xTe2相和液态Pb,还可能发生反应析出三元相和共晶相;形成的液相和生成的液态Pb会大量渗透入Ni箔晶界。对Nb/PbTe接头而言,Nb与PbTe不会形成共晶液相,Nb与PbTe发生固相置换反应生成Nb3Te4相和液态Pb,生成的液态Pb也不会渗透入Nb晶界。Nb3Te4反应层的生长是由Nb原子通过Nb3Te4扩散至PbTe界面的扩散速率控制的生长过程。对Fe/PbTe和Mo/PbTe接头而言,Fe和Mo与PbTe在连接温度范围内既不会形成共晶液相也不会发生置换反应。本论文选用NiFeMo合金和Fe/Ni双层金属两种电极材料与PbTe进行连接,分析了界面结构及其形成机理。相比Ni/PbTe接头,NiFeMo与PbTe的共晶温度提高,NiFeMo与PbTe没有发生明显的界面反应,Fe原子和Mo原子的存在抑制了Ni与PbTe的界面反应。对Fe/Ni/PbTe接头而言,可能形成五种界面结构,分别为:(1)Fe(Ni)/非连续颗粒状(Fe,Ni)1.12Te/PbTe(Ni);(2)Fe/Fe(Ni)/Ni(Fe)/PbTe(Ni);(3)Fe/Fe0.88Ni0.12/Ni(Fe)/Ni3±xTe2/PbTe(Ni);(4)Fe/Fe0.88Ni0.12/(Fe,Ni)1.26Te+Pb/PbTe;(5)Fe/孔洞Fe0.88Ni0.12/(Fe,Ni)1.26Te+Pb/PbTe。通过对各接头界面结构、力学性能、热电性能和电学性能的分析,结果表明Fe/6μmNi/PbTe接头在连接工艺650℃/150min时制备的界面结构Fe/Fe0.88Ni0.12/Ni(Fe)/Ni3±xTe2/PbTe较优,接头既能实现良好连接又能抑制晶界渗透,是较理想的PbTe基热电电极接头。


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