CN110690340A - 一种优化碲化铅基热电材料/电极接头性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种优化碲化铅基热电材料/电极接头性能的方法，属于热电器件制备和连接件技术领域，该方法在界面处构建缺陷的化学势平衡，通过形成中间层，降低与热电材料的接触势垒，实现降低其界面接触电阻的目的，并通过扩散作用提高热电材料与电极材料界面处剪切强度。本发明的优点及用途在于：控制与电极材料FexPb0.15Te1‑x‑0.15(0.6≤x≤0.8)中的Te含量调控点缺陷浓度，在外加电场和压力场的耦合作用下，在实现热电材料和电极材料致密化的同时，同步实现二者之间的扩散反应形成连接。

Description

一种优化碲化铅基热电材料/电极接头性能的方法
技术领域
本发明是一种优化碲化铅基热电材料/电极接头性能的方法，属于热电器件制备和连接件技术领域。通过在电极材料中掺入Pb和Te,利用元素的扩散实现在界面处获得中间层，从而降低电极材料与热电材料的势垒，进而达到降低接触电阻的目的，同时利用元素的扩散，提高材料的剪切强度。
背景技术
碲化铅基热电材料是一种理想且成熟的中温热电材料。作为缺陷化合物，碲化铅基热电材料中Pb原子的过量或者缺失影响其本征缺陷的形成，进而影响其半导体属性。在碲化铅基热电材料和电极的连接过程中，温度和化学势梯度的共同作用促使原子沿垂直于界面方向进行定向输运，破坏了热电材料基体中的本征缺陷平衡，导致界面接触电阻增加，接头热电转换性能退化。并且由于连接方式多为机械咬合，导致接头剪切强度较低。
发明内容
本发明是一种优化碲化铅基热电材料/电极接头性能的方法，目的在于通过电极材料中Pb和Te的扩散，实现中间层为PbTe和Fe的混合物，该混合物仍表现出金属性，属于电极材料的一部分，但与原电极材料相比与热电材料间的势垒得到降低，从而同时实现了降低接触电阻和提升剪切强度的目的。
本发明是一种优化碲化铅基热电材料/电极接头性能的方法，该方法控制电极材料FeXPb0.15Te1-x-0.15(0.6≤x≤0.8)中Te的含量，在电场和压力场的耦合作用下，实现电极材料和热电材料致密化的同时，利用扩散作用实现二者同步扩散反应连接，其具体步骤如下：
（1） 混合原材料：将粒度小于100nm,纯度大于99.9%的Pb和Te按照非化学计量比称量，并充分混合后得到PbxTe1-x（0.4999≤x≤0.5006）混合粉体，进行1000℃下6小时熔炼后淬火，再进行700℃下保温48h的退火处理后研磨成粉体1，将颗粒度小于100nm,纯度大于99.9%的Fe，Pb和Te按照比例混合得到FeXPb0.15Te1-x-0.15(0.6≤x≤0.8)混合粉体2；
（2） 粉体装入模具：将粉体2装入石墨模具，冷压至50%-60%的理论密度，再将粉体1置于粉体2上方，再次冷压至50%-60%理论密度备用；
（3）烧结连接：将退火后的热电材料样品研磨之后，与电极材料依次平铺在石墨模具里手，改变电极材料Te的含量，进行SPS烧结，烧结温度为400℃-600℃，压强为40MPa-45MPa,保温时间为15min-20min,形成FeXPb0.15Te1-x-0.15(0.6≤x≤0.8)/Pb50.01Te49.99/FeXPb0.15Te1-x-0.15(0.6≤x≤0.8)热电接头，并将接头进行温度为450℃-500℃，保温时间为30min-35min的退火处理 。
附图说明
图1中 1、2、3、4分别代表着电极材料是1:/Fe;2/Fe0.8Pb0.15Te0.05;3:/Fe0.7Pb0.15Te0.15;4:/Fe0.6Pb0.15Te0.25的样品的剪切强度和接触电阻。
具体实施方式
前期实验表明PbxTe1-x（0.4999≤x≤0.5006）热电材料，当x=0.5001时，其热电材料性能达到最佳，故在实施方式中，分别以x=0.5001的基础上，制备不同Te含量的电极材料Pb50.01Te49.99与电极材料FexPb0.15Te1-x-0.15(0.6≤x≤0.8)连接。
实施方式1一种优化碲化铅基热电材料/电极接头性能的方法，将颗粒度小于100nm，纯度不低于99.9%的Pb粉，Te粉按照非化学计量比Pb:Te=50.01:49.99称量并充分混合后得到成分为Pb50.01Te49.99的块体，在石英管中真空密封后，经1000℃熔炼并保温6h后淬火处理，再经过700℃并保温48h退火处理后研磨得到粉体1；将颗粒度小于100nm，纯度不低于99.9%的Fe粉，Pb粉，Te粉按照Fe:Pb:Te=0.8:0.15:0.05称量并充分混合后得到成分为Fe0.8Pb0.15Te0.05的粉体2；将粉体2装入石墨模具中，冷压制50%-60%理论密度；再将粉体1置于粉体2上方，再次冷压至50%-60%致密度备用。将退火后的热电材料样品研磨之后，与电极材料依次平铺在石墨模具里，进行SPS烧结，烧结温度为600℃，压强为40MPa,保温时间为20min,形成Fe0.8Pb0.15Te0.05/Pb50.01Te49.99/Fe0.8Pb0.15Te0.05热电接头，并将接头进行温度为450℃，保温时间为30min退火处理，接触电阻率为25μΩ·cm2，剪切强度超过17MPa,所测接触电阻和剪切强度相较于与纯Fe连接的热电材料相比，性能均有所提升。
实施方式2
一种优化碲化铅基热电材料/电极接头性能的方法，将颗粒度小于100nm，纯度不低于99.9%的Pb粉，Te粉按照非化学计量比Pb:Te=50.01:49.99称量并充分混合后得到成分为Pb50.01Te49.99的块体，在石英管中真空密封后，经1000℃熔炼并保温6h后淬火处理，在经过700℃48h退火处理后研磨得到粉体1；将颗粒度小于100nm，纯度不低于99.9%的Fe粉，Pb粉，Te粉按照化学计量比Fe:Pb:Te=0.7:0.15:0.15称量并充分混合后得到成分为Fe0.7Pb0.15Te0.15的粉体2；将粉体2装入石墨模具中，冷压制50%-60%理论密度；再将粉体1置于粉体2上方，再次冷压至50%-60%致密度备用。将退火后的热电材料样品研磨之后，与电极材料依次平铺在石墨模具里，进行SPS烧结，烧结温度为600℃，压强为40MPa,保温时间为20min,形成Fe0.7Pb0.15Te0.15/Pb50.01Te49.99/Fe0.7Pb0.15Te0.15热电接头，并将接头进行温度为450℃，保温时间为30min退火处理，测得接触电阻率为35μΩ·cm2，剪切强度超过10.5MPa,相比于与纯 Fe连接热电材料接触电阻有所降低，剪切强度略有下降。
实施方式3
一种优化碲化铅基热电材料/电极接头性能的方法，将颗粒度小于100nm，纯度不低于99.9%的Pb粉，Te粉按照非化学计量比Pb:Te=50.01:49.99称量并充分混合后得到成分为Pb50.01Te49.99的块体，在石英管中真空密封后，经1000℃熔炼并保温6h后淬火处理，在经过温度为700℃保温时间为48h退火后研磨得到粉体1；将颗粒度小于100nm，纯度不低于99.9%的Fe粉，Pb粉，Te粉按照Fe:Pb:Te=0.6:0.15:0.25称量并充分混合后得到成分为Fe0.6Pb0.15Te0.25的粉体2；将粉体2装入石墨模具中，冷压制50-60%理论密度；再将粉体1置于粉体2上方，再次冷压至50-60%致密度备用。将退火后的热电材料样品研磨之后，与电极材料依次平铺在石墨模具里，进行SPS烧结，烧结温度为600℃，压强为40MPa,保温时间为20min,形成Fe0.6Pb0.15Te0.25/Pb50.01Te49.99/Fe0.6Pb0.15Te0.25热电接头，并将接头进行温度为450℃，保温时间为30min退火处理，测得接触电阻率为25μΩ·cm2，剪切强度超过17MPa,相比于与纯Fe连接的热电材料，其接触电阻和剪切强度两性能均有所提升。

Claims (2)

1.一种优化碲化铅基热电材料/电极接头性能的方法，其特征在于该方法控制电极材料FeXPb0.15Te1-x-0.15(0.6≤x≤0.8)中Te的含量，在电场和压力场的耦合作用下，实现电极材料和热电材料致密化的同时，同步利用扩散作用实现二者的连接，具体步骤如下：
（1）混合原材料：将粒度小于100nm，纯度大于99.9%的Pb、Te按照非化学计量比称量，并充分混合后得到Pb50.01Te49.99混合粉体，进行1000℃下6小时熔炼后淬火，再进行700℃下保温48h的退火处理后研磨成粉体1，将颗粒度小于100nm，纯度大于99.9%的Fe、Pb和Te按照比例混合得到FeXPb0.15Te1-x-0.15(0.6≤x≤0.8)混合粉体2；
（2）粉体装入模具：将粉体2装入石墨模具，冷压至50%-60%的理论密度，再将粉体1置于粉体2上方，再次冷压至50%-60%理论密度备用；
（3）烧结连接：将退火后的热电材料样品研磨之后，与电极材料依次平铺在石墨模具里，改变电极材料Te的含量，进行SPS烧结，烧结温度为400℃-600℃，压强为40MPa-45MPa,保温时间为15min-20min，形成FeXPb0.15Te1-x-0.15(0.6≤x≤0.8)/Pb50.01Te49.99/FeXPb0.15Te1-x-0.15(0.6≤x≤0.8)热电接头，并将接头进行温度为450℃-500℃，保温时间是30min-35min退火处理 。
2.根据权利要求1所述的一种优化碲化铅基热电材料/电极接头性能的方法，其特征在于：电极材料为FexPb0.15Te1-x-0.15(0.6≤x≤0.8)。
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EP0821417A2 (en) * 1996-07-26 1998-01-28 Technova Inc. Thermoelectric semiconductor and fabrication process thereof
US20100295202A1 (en) * 2009-05-19 2010-11-25 Yanshan University Fabrication of High Performance Densified Nanocrystalline Bulk Thermoelectric Materials Using High Pressure Sintering Technique
JP2017085050A (ja) * 2015-10-30 2017-05-18 国立研究開発法人産業技術総合研究所 熱電変換素子、熱電変換モジュール

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