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Mg_2Si热电材料与Cu/Ni复合电极的界面结构及性能研究

龙洋  
【摘要】:热电材料是一类可以实现热能和电能直接相互转换的功能材料,由其制成的热电器件可用于温差发电和热电制冷,具有环境污染低、噪声小、质量轻、占用空间小和安全性高等诸多优点。热电材料与导流电极的连接界面是热电器件中的重要组成部分,其连接质量的优劣直接影响热电器件的服役性能和寿命。本文以热电接头为研究对象,采用电场激活压力辅助烧结(FAPAS)法和放电等离子烧结(SPS)法,在一步合成Mg_2Si的同时,同步实现其与Cu/Ni复合导流电极的连接。研究了不同工艺下各界面扩散层形貌和界面结构微观形貌及新相生长规律,对比了不同连接温度与不同保温时间下各接头在电接触性能、力学性能以及热稳定性上的差异,旨在探究接头界面微观结构与宏观性能参数间的相互关系。研究结果表明,Cu、Ni与Mg_2Si之间具有相近的热膨胀系数,有利于减少接头热连接以及后期热时效过程中的残余应力,提高接头工作寿命和稳定性。在外加耦合场作用下,Cu/Mg_2Si界面处Cu、Mg、Si元素间存在剧烈的交互扩散,使得界面生成Cu9Si和Cu5Mg_2Si金属间化合物;而Ni具有较高扩散激活能,与Mg、Si存在更窄的固溶区间,可以有效抑制相互之间的扩散进而控制界面反应,使得Ni/Mg_2Si界面更加稳定。FAPAS工艺下获得的Cu/Ni/Mg_2Si接头各界面连接紧密,具有良好的抗热震性能。烧结温度影响Ni/Mg_2Si界面新相的形貌和生长机制。当连接温度低于750℃时,界面新相由Mg_2Si Ni3和Mg2Ni组成,且前者先于后者生成;当连接温度达750℃时,Mg2Ni相因热力学不稳定无法存在而使得界面仅有Mg_2Si Ni3相。不同连接温度制得接头的接触电阻有所不同,其中700℃保温15min的接头具有最小接触电阻率112μΩ?cm2。随着热时效时间的延长,界面扩散层增厚,接触电阻增大,其值与t的变化趋近线性关系。SPS工艺下Cu/Ni/Mg_2Si接头各层连接良好,Ni/Mg_2Si界面主要形成Ni2Si、η以及ω新相化合物。其中,新相Ni2Si主要以点状零星分布于η相基体中,且随着连接温度的升高,数量增加并逐步变换成网状分布。随着热时效时间的延长,接头的接触电阻增大,而抗剪切强度下降。其中800℃保温15min试样未时效时获得最小接触电阻率1.28mΩ?cm2;750℃保温30min的试样抗剪切强度最优且较为稳定,经600h时效后仍达19.81MPa。


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