Mg-Si-Sn基熱電器件的電極材料研究.pdf

1、Mg-Si-Sn基熱電材料是具備優(yōu)良熱電性能(ZT～1.20)的中溫熱電材料之一，兼具環(huán)境友好、廉價以及比重小等優(yōu)異特點，非常適合于中溫熱電發(fā)電與廢熱回收。然而，目前關(guān)于Mg-Si-Sn基熱電器件的相關(guān)報道較少，電極材料多局限于單質(zhì)金屬Ni，而且缺少電極材料與熱電材料間化學和高溫穩(wěn)定性的相關(guān)研究，這使高性能Mg2Si1-xSnx熱電材料的實際應用受到很大限制。
　　 針對上述Mg2Si1-xSnx熱電器件研究中存在的問題，本論文

2、采用固溶體Mg2.16(Si0.3Sn0.7)0.98Sb0.02為基體熱電材料，通過對合金/金屬復合電極材料的熱膨脹系數(shù)、電導率和熱導率等基本物性參數(shù)的研究，探索并優(yōu)化了作為Mg2.16(Si0.3Sn0.7)0.98Sb0.02熱電材料的電極材料體系及其最佳復合配比，系統(tǒng)研究了熱電材料和電極材料的結(jié)合工藝和界面結(jié)合狀態(tài)，在此基礎上通過退火進一步研究了結(jié)合界面的穩(wěn)定性。本論文的主要研究工作和結(jié)論如下:
　　 合金/金屬復合的方

3、式實現(xiàn)了熱膨脹系數(shù)的自由調(diào)控，其中與熱電材料Mg2.16(Si0.3Sn0.7)0.98Sb0.02匹配最好的復合電極配比為:Ni-Al+40 wt％Al、Cu-Al+55wt％Cu、Cu-Zn+55 wt％Cu。退火研究表明上述復合電極材料大都具備良好的熱穩(wěn)定性。隨后采用兩步SPS燒結(jié)的方式成功實現(xiàn)了上述復合電極材料與Mg2.16(Si0.3Sn0.7)0.98Sb0.02熱電材料的連接。為了盡量避免Mg-Si-Sn基材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂

4、紋，燒結(jié)過程中的升降溫速率都不宜過快，且燒結(jié)壓力不宜超過3.0 KN。
　　 對于Ni-Al+40 wt％Al電極材料與Mg2.16(Si0.3Sn0.7)0.98Sb0.02熱電材料的連接，退火前后界面處及材料內(nèi)部均未產(chǎn)生微裂紋和孔洞，幾乎不存在元素間的互擴散，成分分析表明退火后Mg-Si-Sn基材料內(nèi)部Si的富集區(qū)增多，熱電材料靠近界面處易產(chǎn)生Sn的富集區(qū)。未退火樣品的剪切強度測試平均值為7.2 MPa，斷面形貌與文獻報道的

5、Mg2.16(Si0.3Sn0.7)0.98Sb0.02材料斷面一致。退火前后該連接的接觸電阻和接觸電阻率數(shù)值都很接近，分別為14 mΩ和770-790μΩ·cm2之間。以上結(jié)果都表明通過兩步SPS燒結(jié)實現(xiàn)的復合電極材料Ni-Al+40 wt％Al與熱電材料Mg2.16(Si0.3Sn0.7)0.98Sb0.02之間的連接是有效的，并具備良好的穩(wěn)定性。
　　 對于Cu-Al+55 wt％Cu和Cu-Zn+55 wt％Cu復合電極

6、材料，它們與熱電材料Mg2.16(Si0.3Sn0.7)0.98Sb0.02的連接界面狀態(tài)非常相似，SPS燒結(jié)連接過程中即產(chǎn)生中間層，其主要成分為Cu、Mg和Si，電極與中間層相鄰處存在成分為Cu、Mg和Sn且分布不均勻的區(qū)域。上述微結(jié)構(gòu)和成分分布特點源于燒結(jié)過程中Cu與Mg、 Sn反應生成低熔點化合物，相鄰區(qū)域的Mg和Sn因反應而缺失即導致Si富集。退火后各元素間的互擴散程度與退火前相當或略有增加，中間層厚度并未明顯增加，但在中間層S

7、i的富集區(qū)中產(chǎn)生微裂紋，熱電材料靠近中間層區(qū)域產(chǎn)生由成分波動導致的明暗條紋狀分布，這是燒結(jié)過程中擴散到該區(qū)域的Cu在退火過程中與Mg、Sn反應引起局部Si/Sn比的波動所導致。復合電極材料Cu-Al+55 wt％Cu和Cu-Zn+55 wt％Cu與熱電材料Mg2.16(Si0.3Sn0.7)0.98Sb0.02的連接界面剪切強度測試平均值分別為6.5 MPa和8.4 MPa，斷面形貌與其它文獻報道的Mg2Si1-xSnx的斷面形貌一致，