CN110649150A - 一种控制热电元件的高度的一致性的烧结模具及其烧结方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种控制热电元件的高度的一致性的烧结模具及其烧结方法，涉及一种烧结模具，其结构包括：套设于中空内部活块结构成型模径向外侧、且与所述内部活块结构成型模具有相同高度的外模套；下部部分露出、套设于所述内部活块结构成型模径向内侧的下压头，和上部部分露出、与所述下压头不接触对置地套设于所述内部活块结构成型模径向内侧的上压头，所述上下压头之间留出空间以放置待烧结物质；套设在所述上压头露出于所述内部活块结构成型模的径向外侧的上限位环，和套设在所述下压头露出于所述内部活块结构成型模的径向外侧的下限位环；以及设置于所述下压头底部的下压块、和设置于所述上压头顶部的上压块。

Description

一种控制热电元件的高度的一致性的烧结模具及其烧结方法

技术领域

本发明涉及一种控制热电元件的高度的一致性的烧结模具及其烧结方法，特别是一种至少一端带有导电扩散阻挡层(阻挡层)或/和过渡层的热电元件的烧结模具及其烧结方法，属于烧结模具的改造技术。

背景技术

一般的热电器件都是通过导流电极把P、N型热电材元件连接起来，通常情况下热电器件中P、N型热电元件会采用相同的高度以方便热电器件的制备及使用。同时为了减小热电材料与电极之间的扩散及热应力对热电器件性能的影响，常常在热电材料与导流电极之间加入扩散阻挡层或过渡层。扩散阻挡层或过渡层的制备通常有两种方式，一种是先通过各种方法制备出热电材料，并通过加工得到相同高度的P、N型热电材料，然后再在其高、低温端通过各种手段制备扩散阻挡层或过渡层。另一种是在热电材料烧结过程中同步制备高、低温端扩散阻挡层或过渡层，再通过加工得到相同高度的P、N型热电元件，或者是烧结时只制备高温端扩散阻挡层或过渡层，然后通过加工热电元件的热电材料得到相同高度的P、N型热电材料，再制备热电元件的低温端扩散阻挡层或过渡层。现在已知的多种中高温热电材料通常是通过第二种方法中的先烧结高温端扩散阻挡层或过渡层，加工后再制备低温端扩散阻挡层或过渡层方法得到各种热电元器件。

以上两种制备方法，第一种制备方法工艺复杂、工序较多、周期长，同时还存在着热电材料与扩散阻挡层或过渡层之间结合强度低，从而降低器件可靠性的问题。第二种制备方法中的同步烧结制备高温端扩散阻挡层或过渡层后制备低温端扩散阻挡层或过渡层的方法，相比第一种减少了一部分工序，但是依然存在工艺复杂、工序较多、周期长以及结合强度低的不足。而采用高、低温端同步烧结扩散阻挡层或过渡层的方法虽然可以使热电元件的高、低温端同时获得扩散阻挡层或过渡层，然而由于P、N型热电元件不是同步烧结，导致使烧结后的P、N型热电元件的高度很难保持一致，增加了后期加工的时间及难度，同时如果对扩散阻挡层或过渡层进行较大量的机械加工，就可能会对热电材料与扩散阻挡层或过渡层之间的结合带来损伤，从而影响热电器件的性能以及其可靠性。

发明内容

针对现有的方法制备热电元件时，特别是批量制备热电元件时存在的高度不一致的问题，本发明的目的在于提供一种控制热电元件的高度一致性的烧结模具及其烧结方法。

一方面，本发明提供了一种烧结模具，包括：

套设于中空内部活块结构成型模径向外侧、且与所述内部活块结构成型模具有相同高度的外模套；

下部部分露出的、套设于所述内部活块结构成型模径向内侧的下压头，和上部部分露出的与所述下压头不接触、对置地套设于所述内部活块结构成型模径向内侧的上压头，所述上下压头之间留出空间以放置待烧结物质；

套设在所述上压头露出于所述内部活块结构成型模具的径向外侧的上限位环，和套设在所述下压头露出于所述内部活块结构成型模径向外侧的下限位环；

以及设置于所述下压头底部的下压块、和设置于所述上压头顶部的上压块，并形成能够利用外部设备通过下压块、上压块分别对下压头、上压头施加规定压力的结构。

本发明提供的烧结模具具备套设在上压头的上部部分径向外侧的上限位环和套设在下压头的下部部分径向外侧的下限位环，当利用外部设备对所述下压块和所述上压块施加外部压力的情况下，所述上、下限位环分别限制了上压头和下压头的相对移动距离，从而可以控制待烧结物质烧结后的高度尺寸，可实现多批次成品尺寸的一致性。又，与本发明的待烧结物质的上、下两端分别接触的上、下压头在烧结过程中均可以在内部活块结构成型模具内移动，因此待烧结物质可以同时接受到上下压头的压力，这有利于提高制品的致密度以及制品的均匀性。

在本发明的一个方案中，其中所述上压头露出于所述内部活块结构成型模的所述上压头的上部部分、与所述下压头露出于所述内部活块结构成型模的所述下压头的下部部分的长度相同；所述上限位环和所述下限位环的高度相同。本发明的上、下限位环能够分别限制上、下压头(或上下压块)的运动在规定的距离内，确保制品的尺寸。上、下压头露出内部活块结构成型模的长度相同，且上下限位环的高度相同，则上、下压头(或上下压块)的运动距离相同，这样可以确保待烧结物质上下两个端面所承受的压力相同，这能进一步提高制品的致密度以及制品的均匀性。

在本发明的又一个方案中，所述上限位环和下限位环的高度H3设置为可调节。该高度H3依据需要制备的材料或器件(例如，热电元件)的高度而采用不同的高度，可以使得制品尺寸具有多样化。根据所需要制备的材料或器件(待烧结物质)的高度，调节限位环(上限位环和下限位环)的高度，便可实现多批次的制品高度的一致性。

在本发明的一个方案中，将所述上限位环的外径设置为大于内部活块结构成型模的外径、且小于外模套的外径；和/或所述下限位环的外径大于内部活块结构成型模的外径、且小于外模套的外径。这样通过限位环可以限制内部活块结构成型模与外模套之间的相对移动，能够避免在烧结过程中内部活块结构成型模与外模套之间出现移动。确保了烧结后制品的热电元件的高度H4由活块模具或外模套的高度H1、上、下压头高度H2以及限位环高度H3所确定，其中H4＝H1+2H3-2H2，同时H4的高度可以微调从而减少后段工序中需要的加工量。

在本发明的一个方案中，所述上限位环的内径大于所述上压头的外径；所述下限位环的内径大于所述下压头的外径。将上、下限位环的内径设置为分别大于所述上、下压头的外径，这样能够确保在烧结过程中上、下压头都在限位环内可以自由移动。

在本发明的一个方案中，烧结前所述上、下压头露出于所述内部活块结构成型模的上压头的上部部分和下压头的下部部分的长度大于所述上、下限位环的高度；烧结后所述上、下压头露出于所述内部活块结构成型模的上压头的上部部分和下压头的下部部分的长度等于所述上、下限位环的高度。烧结后制品的高度尺寸完全由限位环的高度决定则可以进一步确保多批次制品尺寸的一致性。烧结前所述上、下压头露出于所述内部活块结构成型模的长度大于所述上、下限位环的高度，该高出部分具体为多少则需要根据待烧结物质的尺寸与烧结后制品的尺寸收缩来确定。

根据待烧结物质的高度调整烧结前的上压头和下压头的露出外模套的高度大于限位环(上限位环和下限位环)的高度，在上压头和下压头两端施加压力，当烧结开始时，待烧结物质开始致密，在压力作用下上压头和下压头开始靠近，由于限位环(上限位环和下限位环)的存在，当上压头和下压头的露出外模套的长度恰好等于限位环(上限位环和下限位环)的高度时，从而实现待烧结物质高度的一致性。

在本发明的一个方案中，所述上压块的外径大于上限位环的内径，所述下压块的外径大于下限位环的内径。如此以确保上、下限位环能够限制上、下压块的运动在规定的距离内，确保制品的尺寸。其中，上压块可与上压头一体成型。下压块可与下压头一体成型。

在本发明的一个方案中，在所述上压块和所述上限位环上分别设置第一导电接触块和第二导电接触块，所述第一和第二导电接触块与电路导通指示灯串联在同一个电路的闭合回路的A部分中，其中当所述上压块和所述上限位环接触时实现所述闭合回路的A部分的导电连通。当所述上压块和所述上限位环接触则闭合回路的A部分连通。当所述上压块和所述上限位环接触时，即上限位环和上压块之间不存在间隙，上压块不能继续运动，则停止运动，表明上部分到达限位位置。

在本发明的一个方案中，在所述外模套和所述下限位环上分别设置第三导电接触块和第四导电接触块，所述第三和第四导电接触块与电路导通指示灯串联在同一个电路的闭合回路的B部分中，其中当所述外模套和所述下限位环接触时实现所述闭合回路的B部分的导电连通。当所述外模套和所述下限位环接触闭合回路的B部分连通。当所述外模套和所述下限位环上接触时，即所述外模套和所述下限位环之间不存在间隙，下压块不能继续运动，则停止运动，表明下部分到达限位位置。

在本发明中，当上述烧结模具处于空置状态时，第一导电接触块和第二导电接触块之间，以及第三导电接触块和第四导电接触块之间都实现了接触连接，则闭合回路的A部分和闭合回路的B部分导电连通，指示灯亮，此时上压头和下压头之间高度便为待烧结物质的高度。

本发明的一个方案中，4个导电接触块与电路导通指示灯串联在同一个电路(含有电源)的闭合回路，此时当所述上压块和所述上限位环接触、所述外模套和所述下限位环接触则闭合回路导电连通、指示灯亮。这样，只有当上下两组导电接触块均接触时，也就是只有当上下两个烧结压头露出外面套的长度分别等于上下、限位环的高度时，整个电路才导通，指示灯点亮，从而很好确保了烧结样品所需的高度。

本发明的一个方案中，在上限位环的上表面的同一水平面上及上压头(上石墨电极)的下表面的同一水平面上分别安装所述一对导电接触块(第一导电接触块和第二导电接触块)。当所述上压块和所述上限位环接触、则导电接触块接触，闭合回路的A部分实现导电连通。导电接触块的两个接触面接触时的平面位置与限位环的上表面在同一水平面上，从而确保只有当样品的烧结高度达到限位环设定的高度时，电路导通指示灯接通点亮。

又，在下限位环的上表面的同一水平面上及上外模套的下表面的同一水平面上分别安装所述一对导电接触块(第三导电接触块和第四导电接触块)。当所述下限位环和所述上外模套接触、则导电接触块接触，闭合回路的B部分实现导电连通。导电接触块的两个接触面接触时的平面位置与限位环的上表面在同一水平面上，从而确保只有当样品的烧结高度达到限位环设定的高度时，电路导通指示灯接通点亮。优选地，当闭合回路的A部分导电连通，同时闭合回路的B部分导电连通时，整个闭合回路导电连通。

本发明的一个方案中，所述导电接触块通过绝缘块分别与模具各个部分相连。从而使导电块所在的检测电路不受模具其他部分的影响。绝缘块可以后续成型于模具各个部分，或者事先与模具一体地成型、其后再将各导电接触连接到模具各部分。

本发明的一个方案中，所述内部活块结构成型模、外模套、上压头、下压头、上限位环、上限位环、上压块和下压块均为石墨材料、耐高温的金属或者耐高温的合金材料。

另一方面，本发明还提供了一种热电元件的高度一致性的烧结方法，所述热电元件的至少一端包括过渡层和/或阻挡层；所述烧结方法包括：

将所述热电元件的原料粉体(包括热电材料的原料粉体、以及过渡层和/或阻挡层的原料粉体)依次放置于本发明的烧结模具内的下压头上并压实；

然后在上压头和下压头两端施加压力，进行烧结。

根据所需热电元件的高度和烧结压缩比计算烧结前上压头和下压头的露出外模套的长度(大于限位环的高度)，在上压头和下压头两端施加压力，且烧结结束时上压头和下压头的露出外模套的高度等于限位环的高度，此时第一导电接触块和第二导电接触块之间，第三导电接触块和第四导电接触块的之间都实现连通，即电路导通指示灯亮，停止烧结。

本发明通过限位环来确保多批次制备的热电元件的高度的一致性；通过调整限位环高度来获得所需要的高度的热电元件的；通过微调限位环的高度来减少加工量；通过指示电路来指示烧结的结束时间。从而提高样品烧结热电元件的高度的一致性，同时能够减少加工量，提高了热电元件批量制备的效率及一致性。

附图说明

图1为一端制备阻挡层/过渡层的热电元件完成装料后的烧结模具截面示意图；

图2为一端制备阻挡层/过渡层的热电元件正在烧结时的烧结模具截面示意图；

图3为一端制备阻挡层/过渡层的热电元件烧结结束时的烧结模具截面示意图；

图4为两端均制备阻挡层/过渡层的热电元件正在烧结时的烧结模具截面示意图；

图5为两端制备阻挡层/过渡层的热电元件烧结结束时的烧结模具截面示意图；

附图标记：

1、下压头；

2、内部活块结构成型模；

3、外模套；

4、热电元件的下过渡层和/或下阻挡层；

5、热电元件(热电材料、待烧结物质)；

6、热电元件的上过渡层和/或上阻挡层；

7、上压头；

8、下压块(下石墨电极)；

9、下限位环；

10、上限位环；

11、上压块(上石墨电极)；

12a、上绝缘块；

12b、下绝缘块

13a、上导电块(第一导电接触块和第二导电接触块)；

13b、下导电块(第三导电接触块和第四导电接触块)；

14、指示灯；

15、石墨纸。

具体实施方式

以下通过下述实施方式进一步说明本发明，应理解，下述实施方式仅用于说明本发明，而非限制本发明。

在本公开中，提供一种可以控制热电元件的高度一致性的烧结模具，包括自内向外设置的内部活块结构成型模2和外模套3。内部活块结构成型模2和外模套3均为中空，外模套3套设于中空内部活块结构成型模径向外侧、且与所述内部活块结构成型模具有相同高度。还包括在内部活块结构成型模内对置地设置的上压头7和下压头1；但是，上压头7和下压头1均部分收纳于内部活块结构成型模2内，具体地，下压头1的下部部分露出于所述内部活块结构成型模、和上压头7的上部部分露出于所述内部活块结构成型模2。也就是说，下压头1的下部部分露出于内部活块结构成型模2而下压头1的上部部分套设于所述内部活块结构成型模2径向内侧；上压头的上部部分露出于内部活块结构成型模2而所述上压头的下部部分套设于所述内部活块结构成型模2径向内侧。且对置地设置在内部活块结构成型模2内的上压头7和下压头1之间留有空间以放置待烧结物质5。

在烧结模具的上、下压头露出内部活块结构成型模2的外部部分分别设有限位环(上限位环10和下限位环9)。上压头7和下压头1并非全体地套设于所述内部活块结构成型模的径向内侧，上压头7的上部部分和下压头1的下部部分露出于所述内部活块结构成型模2，上限位环10则套设在上压头7上部部分的径向外侧，下限位环9则套设在下压头1下部部分的径向外侧。

又，在上压头7的上端部及下压头1的下端部分别设有上压块11(上石墨电极11)及下压块8(下石墨电极8)。上压头7与上压块11、及下压头1与下压块8之间的配合关系为形成能够利用外部设备通过下压块8、上压块11分别对下压头1、上压头7同时施加规定压力的结构。

本公开的烧结模具，包括外模套3、内部活块结构成型模2、上压头7、下压头1、限位环(上限位环10和下限位环9)、上压块11(上石墨电极11)、下压块8(下石墨电极8)。内部活块结构成型模2置于外模套3内腔内，上压头7、下压头1一端置于内部活块结构成型模具内，需要烧结的热电材料5(待烧结物质5)置于由上压头7、下压头1及活块成型模2组成的腔体内。当利用外部设备对上压块11(上石墨电极11)、下压块8(下石墨电极8)施加外部压力的情况下，套设在上压头7的上部部分径向外侧的上限位环10和套设在下压头1的下部部分径向外侧的下限位环9，分别限制了上压头和下压头的相对移动距离，从而可以控制待烧结物质烧结后的高度尺寸，可实现多批次成品尺寸的一致性。且待烧结物质5的上、下两端分别在腔内与上压头7的下端部、下压头1的上端部接触，因此可以同时接受到上压头7、下压头1的压力，这有利于提高制品的致密度以及制品的均匀性。待烧结物质为热电材料的情况下，在其高、低温端通常包含扩散阻挡层或过渡层，该扩散阻挡层或过渡层在热电材料烧结过程中同步制备时，使用本公开的烧结模具，热电材料上、下两端的阻挡层或/和过渡层同时受到了上下压头的同等压力，有利于提高材料的致密度以及均匀性。

上压头7露出于所述内部活块结构成型模2的部分称为上压头的上部部分，下压头1露出于所述内部活块结构成型模2的部分称为下压头的下部部分。在一个优选实施例中，将上压头的上部部分和下压头的下部部分的高度设置为相同，同时将上限位环10和下限位环9的高度也设置为相同。将上压头露出于所述内部活块结构成型模的上部部分、与下压头露出于内部活块结构成型模的下部部分的长度设置为相同，并且将上限位环和下限位环的高度(厚度)也设置为相同，则在烧结过程中，上、下压头可运动距离相同，这可以进一步确保烧结后制品(热电材料)上下两端具有相同的致密度以及均匀性。

待烧结物质最初通常是以粉体的形式置于模具中，或者待烧结物质在烧结过程中可能会存在收缩过程。因此，烧结前上、下压头露出于内部活块结构成型模的长度大于所述上、下限位环的高度；烧结后所述上、下压头露出于所述内部活块结构成型模的长度等于所述上、下限位环的高度。参看图1或图2，在待烧结物质在完成烧结前(制品完成收缩前)，上压头7露出于所述内部活块结构成型模2的上部部分的高度(长度或厚度)大于上限位环10的高度(或厚度)，以及下压头1露出于所述内部活块结构成型模2的下部部分的高度(长度或厚度)大于下限位环9的高度(或厚度)。参看图3或图5，在待烧结物质在完成烧结后(制得成品时)，上压头7露出于所述内部活块结构成型模2的上部部分的高度(长度或厚度)等于上限位环10的高度(或厚度)，以及下压头1露出于所述内部活块结构成型模2的下部部分的高度(长度或厚度)等于下限位环9的高度(或厚度)。

若将外模套3的高度称为H1，上、下压头的高度称为H2，限位环的高度称为H3，以及将待烧结物质的高度称为H4，则待烧结物质烧结完成后的制品的高度为H4＝H1+2H3-2H2，若上、下压头的高度H2和外模套3的高度H1是固定的，那么制品的高度则完全由限位环的高度H3确定。因此，可通过制品需要的高度(厚度)调整限位环的高度(厚度)H3。因此，通过本公开的烧结模具能够制备高度可以调整的制品。也就是说可以根据制品所需要的高度(厚度)的设定限位环的高度(厚度)。这样可以免去制品后续可能的加工工序，或减少可能的后段工序中制品需要的加工量。

在可选的实施方式中，将限位环(上限位环和下限位环)的内径设置为大于其对应的上压头、下压头的外径。具体地，上限位环10的内径大于所述上压头7的外径；所述下限位环9的内径大于所述下压头1的外径。这样能够确保在待烧结物质的烧结过程中上、下压头都在限位环内可以自由移动。

在可选的实施方式中，将限位环(上限位环10和下限位环9)的内径设置为小于外模套3的内径，以及将限位环(上限位环10和下限位环9)的外径设置为大于内部活块结构成型模2的内径。具体地，所述上限位环10的外径大于内部活块结构成型模2的外径、且小于外模套3的外径；和/或所述下限位环9的外径大于内部活块结构成型模2的外径、且小于外模套3的外径。将限位环的外径设置为大于内部活块结构成型模的内径且小于外模套的外径，这样能够确保在烧结过程中限位环不会导致内部活块结构成型模与外模套之间出现移动，从而进一步确保了烧结后样品的高度。

限位环(上限位环10和下限位环9)的外径设置为小于对应的压块(上压块11和下压块8)的外径。如此，在烧结过程中，当上压块11和下压块8因受到外部设备对相应的压头实施压力时，在待烧结物质达到了规定的尺寸的情况下，限位环可以阻碍压块对相应的压头继续施压。

在另一个实施例中，本发明的烧结模具除了如上所述的外模套3、内部活块结构成型模2、上压头7、下压头1、限位环(上限位环10和下限位环9)、上压块11(上石墨电极11)、下压块8(下石墨电极8)外，如图2所述，上压块11、上限位环10、外模套3及下限位环9上分别设有导电接触块(上导电块13a和下导电块13b)。一个可选方案中，在上压块11和上限位环10上分别设置第一导电接触块和第二导电接触块(统称为上导电块13a)，该第一和第二导电接触块与电路导通指示灯14串联在同一个闭合回路电路的A部分中，其中当上压块11和上限位环10接触时实现所述闭合回路的A部分的导电连通。在外模套3及下限位环9上分别设置第三导电接触块和第四导电接触块(统称为下导电块13b)，该第三和第四导电接触块同样与电路导通指示灯14串联在同一个闭合回路电路的B部分中，其中当外模套3及下限位环9接触时实现所述闭合回路的B部分的导电连通。上压块11与上限位环10接触，同时外模套3与下限位环9接触，电路导通，指示灯亮，表明上下限位环达到需要的位置，则烧结完成。应理解，导电接触块(上导电块13a和下导电块13b)可以分别与对应的模具部分一体地成型，也可以额外再成型于模具的各部分。

虽然在图2中导电接触块(上导电块13a和下导电块13b)通过绝缘块(上绝缘块12a和下绝缘块12b)分别与模具其他各部分相连，但是也可以使导电接触块(上导电块13a和下导电块13b)直接成型于模具各个部分上的绝缘部位。

参看图2，4个导电接触块(上导电块13a和下导电块13b)是通过绝缘块(上绝缘块12a和下绝缘块12b)分别与模具其他各部分相连，从而使导电块所在的检测电路不受模具其他部分的影响。

在可选的实施方式中，上限位环10的上表面的同一水平面上及上压块11(上石墨电极)的下表面的同一水平面上分别装有一对导电接触块(上导电块13a，或第一导电接触块和第二导电接触块)。下限位环9的上表面的同一水平面上及外模套3的下表面的同一水平面上分别装有一对导电接触块(下导电块13b，或第三导电接触块和第四导电接触块)。上导电块13a的一对导电接触块(第一导电接触块和第二导电接触块)的两个接触面接触时的平面位置与上限位环的上表面在同一水平面上，以及下导电块13b的一对导电接触块(第三导电接触块和第四导电接触块)的两个接触面接触时的平面位置与下限位环的上表面在同一水平面上，从而确保只有当样品的烧结高度达到限位环设定的高度时，电路导通指示灯接通点亮。

在本公开中，利用上述结构的模具进行热电元件的烧结。参见图4，在一个示例中，将内部活块结构成型模具置于外模套内腔内，上压头、下压头一端置于内部活块结构成型模具内，需要烧结的热电材料、阻挡层以及过渡层置于由上压头、下压头及活块成型模组成的腔体内，上压头、下压头另一端置于限位环(上限位环和下限位环)内，上压头、下压头端部放置上石墨电极、下石墨电极，位于上石墨电极、上限位环、下限位环以及外模套上的导电接触块与指示灯组串联电路用于指示烧结结束时间。

本发明中，所述的用于制备热电元件的热电材料包括SiGe基热电材料、CoSb₃基方钴矿化合物、Half-Heusler化合物、MnSi基热电材料、Mg₂Si基热电材料、PbTe基热电材料、Zn₄Sb₃基热电材料、Clathrate基热电材料、铜基热电材料、GeTe基热电材料、Bi2Te3基等热电材料中的至少一种。

本发明中，所述的用于热电元件的过渡层和/或阻挡层可为Mn、Mg、Ti、Fe、Co、V、Pd、W、Si、Ta、Cr、Ge、Nb、Al、Zr、Ni、Mo、Cu、NiCr合金、金属硅化物、钛合金中的至少一种或者它们之间的合金及化合物。

在本发明一实施方式中，利用上述烧结模具烧结热电元件(所述热电元件至少有一端包括过渡层和/或阻挡层)方法包括以下步骤：

步骤1，将内部活块结构成型模置于外模套内；

步骤2，将下压头放置在内部活块结构成型模内，所述下压头的一部分露出外模套；

步骤3，将热电元件的过渡层和/或阻挡层依此置于活块内部的下压头上，所述过渡层和/或阻挡层保持平整；将热电材料的粉体置于过渡层和/或阻挡层之上；压平热电材料并在其上再放置过渡层和/或阻挡层；

步骤4，将上压头置于过渡层和/或阻挡层上，调整上压头、下压头的高度，使上压头、下压头露出外模套的长度相同；

步骤5，将下限位环置于下压块上；将上述热电材料装料完毕的模具置于下压块上，所述模具下压头置于下限位环内；将上限位环套于上压头外部；将上压块置于上压头上部；

步骤6，将上述模具整体置于烧结炉中并加压固定模具。烧结样品的上、下两端的阻挡层或/和过渡层同时受到了上下压头的同等压力，有利于提高烧结样品的致密度以及烧结样品的均匀性；

步骤7，将4个导电接触块分别置于上压块、上限位环、外模套及下限位环上，使导电接触块上的绝缘块置于其相应的位置上；

步骤8，烧结炉抽真空并进行烧结，观察电路指示灯，待指示灯点亮后烧结结束，过渡层和/或阻挡层与热电材料烧结成为一体。烧结前上压头、下压头露出外模套的长度大于所述限位环的高度，烧结结束时上压头、下压头露出外模套的长度等于限位环的高度；

步骤9，冷却后取下模具上的导电接触块并把模具从烧结炉中取出，将烧结有过渡层和/或阻挡层的热电块体材料从内部活块结构成型模中取出。

下面进一步例举实施例以详细说明本发明。同样应理解，以下实施例只用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，本领域的技术人员根据本发明的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本发明的保护范围。下述示例具体的工艺参数等也仅是合适范围中的一个示例，即本领域技术人员可以通过本文的说明做合适的范围内选择，而并非要限定于下文示例的具体数值。

在本发明中，依据需要烧结的热电元件的高度，通过加入设定高度的限位环、配合设定烧结模具的其他部分的高度来控制烧结热电元件的高度，并通过指示电路来确定烧结的结束时间，从而很好的保证了烧结热电元件的高度一致性，降低了热电器件的制备难度、简化了制备工艺、提高了制备效率，为热电器件的批量化、工程化制备所需的大量高度一致热电元件提供了保证。在下述实施例中为了简化，我们将以方钴矿热电元件为代表来说明其制备方法，其他种类的热电元件采用类似方法。

实施例1

制备高度为10mm的一端带阻挡层/过渡层的N型方钴矿热电元件。其中Ni过渡层的厚度为0.1mm，Ti阻挡层的厚度为0.1mm。首先依据需要烧结的方钴矿热电元件的高度计算需要称取的方钴矿粉体的质量，烧结样品的直径为Ф30mm。称取N型方钴矿热电材料的粉体52.6克。下限位环置于下石墨电极上，内径为Ф30mm活块成型模装入外模套内，活块成型模及外模套的高度为60mm，高度30mm直径为Ф30mm下压头一端放入活块成型模内，一端置于下限位环内，下限位环的高度为5mm，活块成型模内的下压头上放入一片直径Ф30mm厚度为0.2mm的石墨纸并压平。称量好的方钴矿粉体放入活块成型模内，放入上压头把粉料压平，调整两端压头使其露出外模套两端的长度基本相等。取出上压头，加入称量好的钛粉并铺平压实钛粉，在粉上放入Ф30mm的镍片，放入上压头并压紧。上限位环套在上压头外，上限位环的高度为5mm，把上石墨电极放置在上压头上。把整个烧结模具包括上下石墨电极置于热压烧结炉中。把指示电路中的上、下导电块的绝缘块插在模具上。抽真空后热压烧结的压力为36kN，烧结温度670℃，保温直至指示灯亮后停止烧结。冷却后取出样品，样品的高度约为10.1mm，重复上述步骤可以制备出高度基本相等的样品。烧结后的砂纸打磨或者使用磨床研磨没有阻挡层一侧的方钴矿材料直至样品总高度为10.0mm。使用同样的方法，使用不同高度的限位环可以制备出各种高度的热电元件，通过微调调整限位环的高度可以减少打磨量，从而减少加工量，提高热电元件的制备效率、可靠性和一致性。

实施例2

制备高度为8mm的两端带阻挡层/过渡层的P型方钴矿热电元件。其中两端的Ni过渡层的厚度为0.1mm，Ti96Al4混合粉阻挡层的厚度为0.1mm，混合粉中Ti与Al的质量比为96:4。首先依据需要烧结的方钴矿热电元件的高度计算需要称取的方钴矿粉体的质量，烧结样品的直径为Ф30mm。称取P型方钴矿热电材料CeFe₃CoSb₁₂的粉体40.8克。下限位环置于下石墨电极上，内径为Ф30mm活块成型模装入外模套内，活块成型模及外模套的高度为60mm，高度30mm直径为Ф30mm下压头一端放入活块成型模内，一端置于下限位环内。称量好的方钴矿粉体放入活块成型模内，放入上压头把粉料压平，调整两端压头使其露出外模套两端的长度基本相等。取出上压头，加入称量好的钛铝混合粉并铺平压实钛铝混合粉，在粉上放入Ф30mm的镍片，放入上压头并压实粉体。把模具倒转，取出下压头，加入称量好的钛铝混合粉并铺平压实钛铝混合粉，在粉上放入Ф30mm的镍片，放入上压头并压紧，上、下压头置于上、下限位环内，上、下限位环的高度均为4mm，把模具置于上、下石墨电极之间。把整个烧结模具包括上下石墨电极置于热压烧结炉中。把指示电路中的上、下导电块的绝缘块插在模具上。抽真空后热压烧结的压力为36kN，烧结温度670℃，保温直至指示灯亮后停止烧结。冷却后取出样品，样品的高度约为8.05mm，重复上述步骤可以制备出高度基本相等的样品。烧结后的砂纸打磨或者使用磨床研磨两侧镍过渡层直至样品总高度为8.0mm。使用同样的方法，使用不同高度的限位环可以制备出各种高度的热电元件，通过微调调整限位环的高度可以减少打磨量，从而减少加工量，提高热电元件的制备效率、可靠性和一致性。

Claims (10)

1.一种烧结模具，其特征在于，包括：

套设于中空内部活块结构成型模径向外侧、且与所述内部活块结构成型模具有相同高度的外模套；

下部部分露出、套设于所述内部活块结构成型模径向内侧的下压头，和上部部分露出、与所述下压头不接触对置地套设于所述内部活块结构成型模径向内侧的上压头，所述上下压头之间留出空间以放置待烧结物质；

套设在所述上压头露出于所述内部活块结构成型模的径向外侧的上限位环，和套设在所述下压头露出于所述内部活块结构成型模的径向外侧的下限位环；

以及设置于所述下压头底部的下压块、和设置于所述上压头顶部的上压块，并形成能够利用外部设备通过下压块、上压块分别对下压头、上压头同时施加规定压力的结构。

2.根据权利要求1所述的烧结模具，其特征在于，所述上压头露出于所述内部活块结构成型模的上部部分、与所述下压头露出于所述内部活块结构成型模的下部部分的长度相同；所述上限位环和所述下限位环的高度相同。

3.根据权利要求1或2所述的烧结模具，其特征在于，所述上限位环的外径大于内部活块结构成型模的外径、且小于外模套的外径；和/或所述下限位环的外径大于内部活块结构成型模的外径、且小于外模套的外径。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的烧结模具，其特征在于，所述上限位环的内径大于所述上压头的外径；所述下限位环的内径大于所述下压头的外径。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的烧结模具，其特征在于，烧结前所述上、下压头露出于所述内部活块结构成型模的上压头的上部部分和下压头的下部部分的长度大于所述上、下限位环的高度；烧结后所述上、下压头露出于所述内部活块结构成型模的上压头的上部部分和下压头的下部部分的长度等于所述上、下限位环的高度。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的烧结模具，其特征在于，所述上压块的外径大于上限位环的外径，所述下压块的外径大于下限位环的外径。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的烧结模具，其特征在于，在所述上压块和所述上限位环上分别设置第一导电接触块和第二导电接触块，所述第一和第二导电接触块与电路导通指示灯串联在同一个闭合回路电路的A部分中，其中当所述上压块和所述上限位环接触时实现所述闭合回路的A部分的导电连通。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的烧结模具，其特征在于，在所述外模套和所述下限位环上分别设置第三导电接触块和第四导电接触块，所述第三和第四导电接触块与电路导通指示灯串联在同一个闭合回路电路的B部分中，其中当所述外模套和所述下限位环接触时实现所述闭合回路的B部分的导电连通；优选地，当闭合回路的A部分导电连通，同时闭合回路的B部分导电连通时，整个闭合回路导电连通。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的烧结模具，其特征在于，所述内部活块结构成型模、外模套、上压头、下压头、上限位环、上限位环、上压块和下压块均为石墨材料、耐高温的金属或者耐高温的合金材料。

10.一种热电元件的烧结方法，其特征在于，所述热电元件的至少一端包括过渡层和/或阻挡层；所述烧结方法包括：

将所述热电元件的原料粉体依次放置于权利要求1-9中任一项所述的烧结模具内的下压头上并压实；

然后在上压头和下压头两端施加压力，进行烧结。

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