CN102425879B - 高轨道空间用温差电致冷器的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高轨道空间用温差电致冷器的制备方法，包括制备温差电材料片、温差电元件、金属化图形、导流片、整体焊接、研磨、超声清洗、焊接引出线，进行“电老化+温度循环+变频振动”的温度、力学老练试验，其特点是：所述温差电材料片两端面均处理一层镍；金属化图形上处理一层镍；导流片裸露处均滚镀一层镍和一层锡。本发明通过温差电材料片、金属化图形的镀镍和导流片的镀镍、镀锡，加之材料优选、焊接、研磨、超声清洗和破坏性试验的筛选，使制备成的温差电致冷器空间耐辐照能力达300Krad（Si），失效率达200fit，温差大，致冷功率高，具有抗冲击、振动力学性能强，可靠性高及体积小特点，特别适用于高轨道空间的应用。
Description
技术领域
本发明属于温差电应用技术领域，特别是涉及一种高轨道空间用温差电致冷器的制备方法。
背景技术
N型温差电元件和P型温差电元件是温差电致冷器的核心部件,分别将N型和P型温差电元件与导流片连接构成回路，形成温差电元件对，冷面陶瓷片与导流片、热面陶瓷片与导流片焊接为一体，为致冷器提供导电通路，实现温差电元件对之间的电路串联连接；若干个温差电元件对的冷端和热端全部并联在冷面陶瓷片和热面陶瓷片上，引出线为整个致冷器提供电输入的接口功能，在温差电元件对的输入端通以固定的直流电压，温差电元件对一端放热，一端吸热，形成冷、热端的输出表面，对放热端采取散热措施保证适当温度，吸热端便对目标体致冷降温。冷面陶瓷片、热面陶瓷片不仅作为热输入、输出面，还作为元件对之间的电串联平台，并确保元件对与外界的电绝缘功能，保证致冷器正常工作运行。
经过检索发现专利号为200620027666.7，公开号为CN200968744，专利名称为：水循环小型温差电控温装置，其说明书中公开了水循环小型温差电控温装置，包括带有进、出水口的致冷系统，通过管路与磁力泵、保温水箱和温度控制装置、负载形成水回路，温度控制装置包括温度控制仪表、热电偶和继电器；致冷系统是以换冷器水箱为对称，两外侧依次设置有温差电致冷组件、导块、散热器、排风扇，通过夹紧装置连为一体。该装置控温精度高，但结构复杂，并且不适用于微型精密控温设备。
专利号为200920251170.1，授权公告号为201555393U的实用新型专利“微型控温用温差电致冷器”其制作过程包括：带金属化图形的氧化铝陶瓷片作为温差电致冷组件的冷面陶瓷片和热面陶瓷片，先将导流片用焊料焊接在冷面陶瓷片和热面陶瓷片的金属化图形上，再将P型粒子和N型粒子组成N、P电偶对焊接在导流片上，然后将正、负极导线焊接到热面陶瓷片预留的引线位置上，组成温差电致冷组件，最后用绝缘导热胶将其热面陶瓷片与微型散热器黏结在一起，通过微型散热器将热量散发出去，其结构简单适用于地面微型精密控温设备。
随着科学技术的不断发展，温差电致冷器愈加广泛应用于各领域，特别是在环境恶略的高轨道空间中工作的敏感器，该敏感器要求为之控制温度的器件应具有体积小、温差大、致冷功率高、抗冲击、振动力学性能强，特别是耐空间辐照、可靠性高等特点。上述致冷器件无法满足高轨道空间中敏感器的使用要求。
发明内容
本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种体积小、温差大、致冷功率高、抗冲击、振动力学性能强，耐空间辐照、可靠性高的高轨道空间用温差电致冷器的制备方法。
本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：
一种高轨道空间用温差电致冷器的制备方法，制作过程包括：
步骤⑴：对Bi、Te、Sb原材料进行“熔化-分凝”至纯度为99.99％；制作N型温差电材料棒Bi2Te3和P型温差电材料棒Sb2Te3；再分别切割成Bi2Te3片和Sb2Te3片；对Bi2Te3片和Sb2Te3片分别进行化学镀镍；
步骤⑵：将化学镀镍后Bi2Te3片切割成N型温差电元件，将化学镀镍后Sb2Te3片切割成P型温差电元件；
步骤⑶：选用96％的Al2O3陶瓷片作为冷面陶瓷片和热面陶瓷片，冷面陶瓷片上制备冷面金属化图形、热面陶瓷片上制备热面金属化图形；所述冷面金属化图形和热面金属化图形分别为在冷、热面陶瓷片上烧结长×宽为3.0mm×1.2mm、厚度为0.02mm～0.03mm的W-Mn合金；在W-Mn合金上化学镀1.5μm～2.5μm厚的镍层；沿着垂直于陶瓷片中部金属化图形长边方向对全部金属化图形浸锡；
步骤⑷：采用纯度为99.90％的T2Y2紫铜丝制备导流片，在导流片上滚镀一层1.5μm～2.5μm厚的镍后再滚镀一层2.0μm～5.0μm的锡；
步骤⑸：根据步骤⑶完成的冷面金属化图形和热面金属化图形形成串联电路的对应位置，先后通过手工压焊和自动红外再流焊接；所述手工压焊为将N、P型温差电元件通过导流片焊接于冷、热面陶瓷片上的金属化图之间，在冷、热面陶瓷片上施加均等压力；所述自动红外再流焊接为在干燥空气或氮气的保护氛围中，通过自动红外再流焊接；经研磨陶瓷片表面、超声清洗，在热面陶瓷片上有一个温差电元件的两个金属化图形上各焊接一条引出线；所述焊接用的焊料均为Sn63AA的焊料，所述焊接用的焊剂均为松香-无水乙醇；进行“电老化+温度循环+变频振动”的温度、力学老练试验，完成高轨道空间用温差电致冷器的制作过程。
本发明还可以采用如下技术方案：
所述焊接用的焊料均为Sn63AA的焊料，焊接用的焊剂均为R型或者RMA型焊剂。
所述焊剂为松香-无水乙醇。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明通过温差电材料片、陶瓷片上金属化图形的镀镍和导流片的镀镍、镀锡，加之材料优选、焊接、研磨、超声清洗和破坏性试验的筛选，使制备成的温差电致冷器空间耐辐照能力达到300Krad(Si)，失效率达到200fit，最大温差达到70.98℃，最大致冷功率达到14.5W，并具有抗冲击、振动力学性能强，可靠性高以及体积小的特点，寿命可达15.2年，特别适用于高轨道空间的应用。
附图说明
图1是本发明制备的温差电致冷器产品结构示意图；
图2是图1中冷面陶瓷片的金属化图形示意图；
图3是图1中热面陶瓷片的金属化图形示意图。
图中：1、N型温差电元件；2、P型温差电元件；3、导流片；4、冷面陶瓷片；5、热面陶瓷片；6、焊料；7、引出线；8、冷面陶瓷片金属化图形；9、热面陶瓷片金属化图形；10、冷面陶瓷片金属化图形浸锡方向；11、热面陶瓷片金属化图形浸锡方向。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
请参阅图1—图3。
⑴温差电材料片的制备：对Bi、Te、Sb原材料进行“熔化-分凝”将原材料表面氧化物及其内部杂质进行分凝，提高至原材料纯度为99.99％，制成Bi2Te3棒作为N型温差电材料棒和Sb2Te3棒作为P型温差电材料棒；将温差电材料棒进行区域熔炼，对温差电材料的晶体结构进行定向处理，以减少晶体的各向异性性能，提高材料热电性能；采用高精度线切割机将温差电材料棒进行晶片切割，制出厚度一致性好和良好施镀表面状态精度为±0.01mm1.5mm厚的N、P型温差电材料片；对温差电材料片表面进行化学镀镍13，在其端面建立均匀一致的镍层。
⑵温差电元件的制备：为保护镀层的完好性，无损温差电材料片的镍层，不影响镍层牢固度和结合力，采用内圆切片机切割将镀镍后的温差电材料片，切割成几何尺寸长×宽×高为1.1mm×1.1mm×1.5mm，高度精度为±0.01mm，并且内阻一致的N型温差电元件1和P型温差电元件2。该几何尺寸的温差电元件具有最优化的热电性能和机械强度，能够耐受较强量级的力学环境和温度冲击环境的考核，保证致冷器的固有可靠度。
⑶冷、热面陶瓷片上金属化图形的制备：选用96％的Al2O3陶瓷片作为冷面陶瓷片4和热面陶瓷片5，根据图2和图3布图位置，在冷、热面陶瓷片上烧结长×宽为3.0mm×1.2mm、厚度为0.02mm～0.03mm的W-Mn合金作为冷面金属化图形8和热面金属化图形9；并在金属化图形上化学镀1.5μm～2.5μm厚的镍层；再将冷、热面陶瓷片放在焊料锅内，按照图2和图3中冷面陶瓷片金属化图形浸锡方向10和热面陶瓷片金属化图形浸锡方向11，即沿着垂直于陶瓷片中部金属化图形长边方向对全部金属化图形浸锡，以保证焊接时对导流片的包边处理和避免虚焊。
⑷导流片3的制备：采用纯度为99.90％的T2Y2紫铜丝，冲压成1.1mm×2.9mm×0.35mm，厚度精度为±0.01mm作为导流片，在导流片上滚镀一层1.5μm～2.5μm厚的镍后再滚镀一层2.0μm～5.0μm的锡。
⑸致冷器整体焊接：采用Sn63AA的焊料6，松香-无水乙醇焊剂，按照图3和图2中金属化图形形成串联电路的对应位置，先通过手工压焊用将N、P型温差电元件通过导流片焊接于冷、热面陶瓷片上的金属化图之间，在冷、热面陶瓷片上施加均等压力，然后在干燥空气或氮气的保护氛围中，再通过自动红外再流焊接，用磨床将整体焊接后致冷器研磨至平面度＜0.02mm，平行度≤0.03mm；为避免致冷器出现短路故障，提高其可靠性，通过超声清洗除去致冷器表面及内部残留的油污、焊剂、温差电元件碎屑、残余焊料等多余物；在热面陶瓷片上焊接有一个温差电元件的两个金属化图形上各焊接一条引出线7；最后对致冷器进行“电老化+温度循环+变频振动”的温度、力学老练试验，致冷器的残余应力得到充分释放，剔出早期失效器件，完成图1所示温差电致冷器的制作。
本发明制备的温差电致冷器工作过程如下：当敏感器件的温度超过预警值时，系统发出指令，控制致冷器工作，当敏感器件温度低于最低要求温度时，系统反馈发出致冷器停止工作的指令，通过系统连续的对致冷器输出各种指令，有效调节并保证致冷器高可靠有效运行，确保敏感器件的工作稳定。
Claims (1)
1.一种高轨道空间用温差电致冷器的制备方法，制作过程包括：
步骤⑴：对Bi、Te、Sb原材料进行“熔化-分凝”至纯度为99.99％；制作N型温差电材料棒Bi2Te3和P型温差电材料棒Sb2Te3；再分别切割成Bi2Te3片和Sb2Te3片；对Bi2Te3片和Sb2Te3片分别进行化学镀镍；
步骤⑵：将化学镀镍后Bi2Te3片切割成N型温差电元件，将化学镀镍后Sb2Te3片切割成P型温差电元件；
步骤⑶：选用96％的Al2O3陶瓷片作为冷面陶瓷片和热面陶瓷片，冷面陶瓷片上制备冷面金属化图形、热面陶瓷片上制备热面金属化图形；所述冷面金属化图形和热面金属化图形分别为在冷、热面陶瓷片上烧结长×宽为3.0mm×1.2mm、厚度为0.02mm～0.03mm的W-Mn合金；在W-Mn合金上化学镀1.5μm～2.5μm厚的镍层；沿着垂直于陶瓷片中部金属化图形长边方向对全部金属化图形浸锡；
步骤⑷：采用纯度为99.90％的T2Y2紫铜丝制备导流片，在导流片上滚镀一层1.5μm～2.5μm厚的镍后再滚镀一层2.0μm～5.0μm的锡；
步骤⑸：根据步骤⑶完成的冷面金属化图形和热面金属化图形形成串联电路的对应位置，先后通过手工压焊和自动红外再流焊接；所述手工压焊为将N、P型温差电元件通过导流片焊接于冷、热面陶瓷片上的金属化图形之间，在冷、热面陶瓷片上施加均等压力；所述自动红外再流焊接为在干燥空气或氮气的保护氛围中，通过自动红外再流焊接；经研磨陶瓷片表面、超声清洗，在热面陶瓷片上有一个温差电元件的两个金属化图形上各焊接一条引出线；所述焊接用的焊料均为Sn63AA的焊料，所述焊接用的焊剂均为松香-无水乙醇；进行“电老化+温度循环+变频振动”的温度、力学老练试验，完成高轨道空间用温差电致冷器的制作过程。
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