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p型方钴矿热电材料及接头的组织结构与性能

李小波  
【摘要】:方钴矿具有良好的热电性能和优异的力学性能,是最具实际应用潜力的中温热电材料。对于制备热电器件来讲,p型和n型热电材料是同等重要的。要获得高性能的热电器件,不仅需要性能优异的的热电材料,还需要有高质量的连接。目前p型方钴矿的热电性能远低于n型方钴矿,且p型方钴矿的连接仍未得到有效的解决。因此获得高性能的p型方钴矿材料及可靠连接的研究具有很大的实际应用价值。本论文基于La0.8Ti0.1Ga0.1Fe3Co Sb12方钴矿材料,通过Ce取代一部分La的方法进一步降低晶格热导率,提高热电性能;同时研究p型方钴矿高温端接头和低温端接头的制备,在服役条件下对高温端接头进行考核。得到如下研究结果:采用熔融退火+热压烧结方法制备La0.8-x Cex Ti0.1Ga0.1Fe3Co Sb12材料,合金的晶粒尺寸为10~20μm,当Ce含量大于等于0.6时,材料中出现了第二相,合金的实际填充量随Ce含量的增加而降低;Ce填充对材料的电输运性能影响不大,进一步降低了材料的晶格热导率。La0.4Ce0.4Ti0.1Ga0.1 Fe3Co Sb12材料ZT值在723K时达到1.05,300~773K的平均ZT值为0.72。通过一步烧结实现了p型方钴矿与Fe Cr Ni阻挡层材料的连接,分析结果表明p-SKD/Fe Cr Ni界面中存在着明显的反应层,主要是Sb、Fe和Ni元素的扩散。利用Ag-Cu-Zn-Sn焊料,采用钎焊手段实现了p型方钴矿高温端接头的制备,随着钎焊温度升高,界面扩散加剧,钎焊温度过高时,界面出现裂纹、孔洞和Fe Sb2第二相;随着钎焊温度升高,接头剪切强度增大,接触电阻率先减小后增大,优化得到高温端接头钎焊温度为660℃。在服役条件下对高温端接头进行了考核,结果表明长时间时效后,热电接头界面接触良好,无明显变化;热电接头剪切强度和接触电阻率都略有增加。利用Pb-Sn焊料实现了p型方钴矿低温端接头的制备,结果表明pSKD/Pb-Sn/Mo Cu界面结合良好,无裂纹和孔洞,接触电阻为2.8μΩ·cm2,剪切强度达到11MPa,能够满足器件使用要求。


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