CN114171667A - 一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法，本发明涉及一种SnTe基热电材料表面阻挡层的制备方法。本发明要解决现有SnTe基热电材料尚无结合强度高、接触电阻低且高温稳定的阻挡层的问题。方法：一、制备热电材料粉末；二、制备Fe‑Mn混合粉；三、将Fe‑Mn混合粉铺在热电材料粉末上并压紧，烧结。本发明用于SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种SnTe基热电材料表面阻挡层的制备方法。
背景技术
基于热电材料的热电器件能够将热能直接转换成电能。热电器件一般采用焊料将覆铜陶瓷基板与热电材料连接而成。焊接前需要在热电材料表面引入阻挡层，防止热电材料与焊料发生反应导致接触电阻过高，降低器件转换效率。高结合强度且低接触电阻阻挡层的设计及制备是决定器件性能的重要因素。SnTe基热电材料是一种使用温度上限不高于600℃的中温热电材料，但目前关于其表面阻挡层的研究很少。
SnTe本身力学性能较差，因此阻挡层材料需要满足与SnTe的热膨胀系数匹配，以避免在热应力条件下的材料开裂现象。SnTe基材料热膨胀系数为16×10-6K-1～17×10-6K-1。唯一与之热膨胀系数相匹配的金属Cu与SnTe反应剧烈，且Cu元素极易在SnTe中迁移，导致热电和力学性能下降，不适合作为阻挡层材料。另一方面，Te元素与大多数金属元素在高温下都能剧烈反应生成大量化合物，导致界面热膨胀系数不匹配，结合强度低，接触电阻高。目前尚无结合强度高，接触电阻低且高温稳定的阻挡层被开发出来。
发明内容
本发明要解决现有SnTe基热电材料尚无结合强度高、接触电阻低且高温稳定的阻挡层的问题，而提供一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法。
一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法，它是按照以下步骤进行的：
一、将成分为Sn0.88Mn0.12Te的热电材料研磨成细粉，得到合金粉末；
二、将Fe粉和Mn粉混合均匀，得到Fe-Mn混合粉；
所述的Fe粉与Mn粉的体积比1:(0.8～1.25)；
三、将合金粉末置于石墨模具中并将表面压平，然后将Fe-Mn混合粉铺在合金粉末上并压紧，在温度为450℃～600℃及压力为40MPa～80MPa的条件下，烧结5min～10min，即完成SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备。
本发明的有益效果是：
本发明公开了一种制备SnTe基热电材料表面高结合强度且低接触电阻阻挡层的方法。对饱和Mn掺杂SnTe的热电材料，即Sn0.88Mn0.12Te，选用高热膨胀系数的Mn元素粉(21.7×10-6K-1)和低热膨胀系数的Fe元素粉(11.8×10-6K-1)按一定比例混合，使其与Sn0.88Mn0.12Te的热膨胀系数匹配，然后铺在热电材料粉末表面，采用热压烧结或放电等离子烧结方法，一步烧结制备高结合强度且低接触电阻阻挡层。由于Mn元素在SnTe中已经饱和，Fe元素与SnTe高温下不反应，高温稳定，所制备的阻挡层与材料间之间的反应层厚度小于10微米，接触电阻小于10μΩ·cm2，剪切强度大于10MPa，满足器件制备要求。
本发明用于一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法。
附图说明
图1为实施例一制备的表面设有阻挡层的SnTe基热电材料界面背散射电子扫描图像，1为Fe-Mn，2为Sn0.88Mn0.12Te热电材料；
图2为实施例一制备的表面设有阻挡层的SnTe基热电材料的接触电阻测试结果图，1为Fe-Mn，2为Sn0.88Mn0.12Te热电材料；
图3为实施例一制备的表面设有阻挡层的SnTe基热电材料的界面剪切测试断口的扫描电镜照片，1为Fe-Mn，2为Sn0.88Mn0.12Te热电材料；
图4为对比实验一制备的含有Cu粉的热电材料的反应界面扫描电镜图，1为Cu，2为Sn0.88Mn0.12Te热电材料，3为Cu-Te化合物；
图5为对比实验二制备的表面设有阻挡层的SnTe基热电材料的反应界面扫描电镜图，1为Fe，2为Sn0.88Mn0.12Te热电材料。
具体实施方式
本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
具体实施方式一：本实施方式一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法，它是按照以下步骤进行的：
一、将成分为Sn0.88Mn0.12Te的热电材料研磨成细粉，得到合金粉末；
二、将Fe粉和Mn粉混合均匀，得到Fe-Mn混合粉；
所述的Fe粉与Mn粉的体积比1:(0.8～1.25)；
三、将合金粉末置于石墨模具中并将表面压平，然后将Fe-Mn混合粉铺在合金粉末上并压紧，在温度为450℃～600℃及压力为40MPa～80MPa的条件下，烧结5min～10min，即完成SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备。
本具体实施方式步骤二中所述的Fe-Mn混合粉与Sn0.88Mn0.12Te合金具有相近的热膨胀系数。
本实施方式的有益效果是：
本实施方式公开了一种制备SnTe基热电材料表面高结合强度且低接触电阻阻挡层的方法。对饱和Mn掺杂SnTe的热电材料，即Sn0.88Mn0.12Te，选用高热膨胀系数的Mn元素粉(21.7×10-6K-1)和低热膨胀系数的Fe元素粉(11.8×10-6K-1)按一定比例混合，使其与Sn0.88Mn0.12Te的热膨胀系数匹配，然后铺在热电材料粉末表面，采用热压烧结或放电等离子烧结方法，一步烧结制备高结合强度且低接触电阻阻挡层。由于Mn元素在SnTe中已经饱和，Fe元素与SnTe高温下不反应，高温稳定，所制备的阻挡层与材料间之间的反应层厚度小于10微米，接触电阻小于10μΩ·cm2，剪切强度大于10MPa，满足器件制备要求。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的合金粉末的粒径为15μm～75μm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二之一不同的是：步骤二中所述的Fe粉粒径为5μm～45μm。其它与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤二中所述的Mn粉粒径为5μm～45μm。其它与具体实施方式一至三相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述的合金粉末的粒径为15μm～45μm。其它与具体实施方式一至四相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤二中所述的Fe粉粒径为1250目；步骤二中所述的Mn粉粒径为325目。其它与具体实施方式一至五相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤二中所述的Fe粉与Mn粉的体积比1:(1～1.25)。其它与具体实施方式一至六相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤二中所述的Fe粉与Mn粉的体积比1:1.1。其它与具体实施方式一至七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤三中在温度为500℃～600℃及压力为60MPa～80MPa的条件下，烧结8min～10min。其它与具体实施方式一至八相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：步骤三中在温度为500℃及压力为60MPa的条件下，烧结10min。其它与具体实施方式一至九相同。
采用以下实施例验证本发明的有益效果：
实施例一：
一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法，它是按照以下步骤进行的：
一、将成分为Sn0.88Mn0.12Te的热电材料研磨成细粉，得到合金粉末；
所述的合金粉末的粒径为15μm～45μm；
二、将Fe粉和Mn粉混合均匀，得到Fe-Mn混合粉；
所述的Fe粉与Mn粉的体积比1:1.1；所述的Fe粉粒径为1250目；所述的Mn粉粒径为325目；
三、将合金粉末置于石墨模具中并将表面压平，然后将Fe-Mn混合粉铺在合金粉末上并压紧，在温度为500℃及压力为60MPa的条件下，烧结10min，得到表面设有阻挡层的SnTe基热电材料，即完成SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备。
图1为实施例一制备的表面设有阻挡层的SnTe基热电材料界面背散射电子扫描图像，1为Fe-Mn，2为Sn0.88Mn0.12Te热电材料。由图可知，反应层厚度小于10μm，阻挡层内部和材料内部均无裂纹出现，表明热膨胀系数匹配良好。
图2为实施例一制备的表面设有阻挡层的SnTe基热电材料的接触电阻测试结果图，1为Fe-Mn，2为Sn0.88Mn0.12Te热电材料。由图可知，材料与阻挡层之间接触电阻仅7μΩ·cm2。
对实施例一制备的表面设有阻挡层的SnTe基热电材料进行剪切测试，试样截面尺寸3×3mm2，以恒位移速率(0.005mm/min)施加载荷，断裂最大试验力为108N，计算得到剪切强度为12MPa。
图3为实施例一制备的表面设有阻挡层的SnTe基热电材料的界面剪切测试断口的扫描电镜照片，1为Fe-Mn，2为Sn0.88Mn0.12Te热电材料。由图可知，剪切过程中，断裂发生在SnTe基材料内部，说明界面结合强度高于SnTe基材料本身强度(SnTe基材料的剪切强度>10MPa)，因此界面结合强度满足使用要求。
对比实验一：将425目的Cu粉与粒径为15μm～45μm的Sn0.88Mn0.12Te粉按体积比0.05:1的比例混合均匀，在温度为500℃及压力为60MPa的条件下，烧结10min，得到含有Cu粉的热电材料。
对比实验二：本对比实验与实施例一不同的是：步骤二中将Fe-Mn混合粉替换为Fe粉，且Fe粉粒径为1250目。其它与实施例一相同。
图4为对比实验一制备的含有Cu粉的热电材料的反应界面扫描电镜图，1为Cu，2为Sn0.88Mn0.12Te热电材料，3为Cu-Te化合物；由图可知，Cu与Sn0.88Mn0.12Te反应剧烈，生成多种Cu-Te化合物，说明其不适合作为阻挡层材料。
图5为对比实验二制备的表面设有阻挡层的SnTe基热电材料的反应界面扫描电镜图，1为Fe，2为Sn0.88Mn0.12Te热电材料；由图可知，Fe虽然与Sn0.88Mn0.12Te不反应，但由于两者热膨胀系数相差较大，导致材料内部出现裂纹。
Claims (10)
1.一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
一、将成分为Sn0.88Mn0.12Te的热电材料研磨成细粉，得到合金粉末；
二、将Fe粉和Mn粉混合均匀，得到Fe-Mn混合粉；
所述的Fe粉与Mn粉的体积比1:(0.8～1.25)；
三、将合金粉末置于石墨模具中并将表面压平，然后将Fe-Mn混合粉铺在合金粉末上并压紧，在温度为450℃～600℃及压力为40MPa～80MPa的条件下，烧结5min～10min，即完成SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备。
2.根据权利要求1所述的一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法，其特征在于步骤一中所述的合金粉末的粒径为15μm～75μm。
3.根据权利要求1所述的一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法，其特征在于步骤二中所述的Fe粉粒径为5μm～45μm。
4.根据权利要求1所述的一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法，其特征在于步骤二中所述的Mn粉粒径为5μm～45μm。
5.根据权利要求1所述的一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法，其特征在于步骤一中所述的合金粉末的粒径为15μm～45μm。
6.根据权利要求1所述的一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法，其特征在于步骤二中所述的Fe粉粒径为1250目；步骤二中所述的Mn粉粒径为325目。
7.根据权利要求1所述的一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法，其特征在于步骤二中所述的Fe粉与Mn粉的体积比1:(1～1.25)。
8.根据权利要求1所述的一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法，其特征在于步骤二中所述的Fe粉与Mn粉的体积比1:1.1。
9.根据权利要求1所述的一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法，其特征在于步骤三中在温度为500℃～600℃及压力为60MPa～80MPa的条件下，烧结8min～10min。
10.根据权利要求1所述的一种SnTe基热电材料表面高结合强度低接触电阻阻挡层的制备方法，其特征在于步骤三中在温度为500℃及压力为60MPa的条件下，烧结10min。
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