一种镁硅基热电器件的高温电极及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种镁硅基热电器件的高温电极及其制备方法，镁硅基热电器件的高温电极包括：硅化镁基质层、按不同体积比例球磨混合的梯度缓冲层、冷压镍电极层。通过放电等离子整体共烧结技术，在烧结温度在780～850摄氏度，烧结压力40～50MPa下制备出镁硅热电器件高温电极，本发明专利技术提供的镁硅基热电器件的高温电极具有良好的热膨胀匹配，低界面接触热阻，高界面稳定性，且制作工艺简单稳定。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于热电转换
，尤其涉及一种镁硅基热电器件的高温电极及其制备方法。
技术介绍
热电发电是利用半导体热电转换材料将材料两端的温差(热能)转化成电能的全静态发电方式，是环境友好型的绿色能源技术，对于缓解和解决当前日益增长的不可再生能源消耗压力和环境污染问题具有重大意义。热电发电系统具有结构紧凑，性能可靠、运行无噪声、无磨损、无泄漏、移动性好并适用于低能量密度回收利用的特点，十分适合于工业废热和汽车尾气废热等的回收利用。镁硅基热电材料是具备优良热电性能(ZT～1.4)的中温热电材料之一，兼具环境友好、廉价以及比重小等优异特点，非常适合于中温热电发电与废热回收，研究人员为提高镁硅基热电材料的热电优值进行了大量的研究，近年来，通过掺杂和纳米复合等手段使得n型镁硅基热电材料的热电优值都得到了很大的提高，热电优值达到1.4(A.U.Khan,N.Vlachos,Th.Kyratsi,HighthermoelectricfigureofmeritofMg2Si0.55Sn0.4Ge0.05materialsdopedwithBiandSb,scriptaMaterialia69606-6092013；PengGao,IsilBerkun,RobertD.Schmidt,MatthewF.Luzenski,XuLu,PatriciaBordonSarac,EldonD.Case,TimothyP.Hogan,TransportandMechanicalPropertiesofHigh-ZTMg2.08Si0.4-xSn0.6SbxThermoelectricMaterials,JournalofELECTRONICMATERIALS,11664-013-2865-8)。高效的镁硅基热电器件目前还不能商业化大规模制造，其主要存在的问题在于镁硅基热电器件的电极设计与制备和镁硅基热电器件的整体封装集成两个方面。由于电极是热电器件中连接n型和p型热电材料两端，构成热电器件中电流传输回路的重要组成部分，而镁硅基热电器件需要在400K～800K温度范围内工作，因此电极材料以及电极与热电材料的连接界面的稳定性、热应力匹配、界面电阻和热阻等都将对热电发电器件的性能和可靠性产生重要的影响。T.Nemoto等通过利用不掺杂的n型硅化镁材料作为热电材料，通过研究Ni作为电极材料通过SPS/PAS烧结技术实现单偶结构器件的制备，并将热电器件进行在100到500K间的时长11000h高温耐久性实验。器件具有良好的界面稳定性，但热电输出性能并不高(TatsuyaSakamoto,TsutomuIida,NaokiFukushima,YasuhikoHonda,MitsuhiroTada,YutakaTaguchi,YohikoMito,HirohisaTaguchi,YoshifumiTakanashi,Thermoelectricpropertiesandpowergenerationcharacteristicsofsinteredundopedn-typeMg2Si.ThinSolidFilms519(2011)8528-8531)。T.Iida等通过在n型Mg2Si与Ni电极之间引入一层过渡金属硅化物(CoSi2、CrSi2、TiSi2、NiSi)来降低两者的接触电阻，从而达到提高输出功率的目的,但电极与镁硅热电材料界面出现开裂现象，且并没有对于界面的结构进行优化设计，此外金属硅化物成本过高.(TatsuyaSakamoto,TsutomuIida,NaokiFukushima,YasuhikoHonda,MitsuhiroTada,YutakaTaguchi,YohikoMito,HirohisaTaguchi,YoshifumiTakanashiTheUseofTransition-MetalSilicidestoReducetheContactResistanceBetweentheElectrodeandSinteredn-TypeMg2Si,JournalofELECTRONICMATERIALS,(2012)10.1007/s11664-012-2073-y)。当前电极与镁硅热点材料间的结合界面结构单一，结合界面结构未进行优化设计，并且没有针对电极结合中出现两种材料的热膨胀系数不匹配，热阻电阻过高，连接界面的稳定性等问题提出相应的解决方案。目前制备镁硅基热电发电器件高温电极的方式主要是铝基低温焊接，热喷涂技术，放电等离子烧结。TomotakeTohei等通过利用Al的低熔点性，将块体镁硅材料与镍电极材料，通过低温铝焊接成镁硅基热电器件，并研究了界面微观结构及界面的剪切强度。但利用铝作为界面粘接剂形成的结合界面机械性能并不好，在电热输送方面也不能保证均匀稳定，而且当样体处于高温服役状态下时，焊料会出现融解，破败问题。(BondabilityofMg2SielementtoNielectrodeusingAlforthermoelectricmodules,MaterialsScienceandEngineering61(2014)012035)ShigeyukiNakamura,等研究了Mg2Si器件的界面微观结构，以及界面的接触电阻，对比了当前制备镁硅基热电器件的常用制备方法，热喷涂技术和物理溅射可以在镁硅材料上制备较薄的电极，但电极和结合界面的均匀性不佳，接触热阻和电阻很高。放电等离子烧结技术方法简单易于操作，样体烧结成熟，且接触电阻性能低(1.13mΩ左右)且烧结相关参数容易控制(ShigeyukiNakamura,YoshihisaMori,andKenIchi,Takarabe,AnalysisoftheMicrostructureofMg2SiThermoelectricDevicesJournalofELECTRONICMATERIALS,10.1007/s11664-014-3000-1)。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中的问题，提供一种镁硅基热电器件的高温电极及其制备方法，镁硅基热电器件的高温电极具有良好的热膨胀匹配，低界面接触热阻，高界面稳定性，且其制作工艺简单稳定。相比当前镍电极材料(300K温度下CTENi＝15.4um-1m-1k-1)与镁硅基热电材料(300K温度下CTEMg2Si＝16.9um-1m-1k-1)直接结合，两者热膨胀系数是不匹配的，且随着温度的升高逐渐接近服役温度500K-700K时，由于热膨胀系数差异变大，导致的热应力过大，会使得器件高温端的结合界面出现裂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种镁硅基热电器件的高温电极，其特征在于，依次由硅化镁基质层、硅化镁基质与金属镍球磨混合的梯度缓冲层、镍电极层组成，球磨混合采用的混合体积比例为Mg2Si/Ni＝n,n取1～6，梯度缓冲层的厚度为0.1～0.6mm，镍电极层的厚度为0.1～3mm。

【技术特征摘要】
1.一种镁硅基热电器件的高温电极，其特征在于，依次由硅化镁基质层、硅化镁基
质与金属镍球磨混合的梯度缓冲层、镍电极层组成，球磨混合采用的混合体积比例为
Mg2Si/Ni＝n,n取1～6，梯度缓冲层的厚度为0.1～0.6mm，镍电极层的厚度为0.1～3mm。
2.根据权利要求1所述的镁硅基热电器件的高温电极，其特征在于，所述n取1～4
比例。
3.根据权利要求1或2所述的镁硅基热电器件的高温电极，其特征在于，梯度缓冲
层的厚度为0.1～0.4mm。
4.根据权利要求1或2所述的镁硅基热电器件的高温电极，其特征在于，镍电极层
的厚度为0.5～2mm。
5.根据权利要求1或2所述的镁硅基热电器件的高温电极，其特征在于，镍电极层
为冷压镍电极层，由冷压过的金属镍组成。
6.一种权利要求1所述的镁硅基热电器件的高温电极的制备方法，其特征在于，该
方法包括以下步骤，步骤一，制备硅化镁块体材料，对硅化镁块体材料进行研磨处理，得
到硅化镁粉体材料；步骤二，将所述硅化镁粉体材料与金属镍混合，采用的混合体积比例
为Mg2Si/Ni＝n,n取1～6，通过球磨、烘干，形成梯度缓冲层；步骤三，通过冷压方法，清
洗、打磨制备冷压镍电极层；步骤四，通过放电等离子整体共烧结的方法，将所述硅化镁
粉体材料、梯度缓...

【专利技术属性】
技术研发人员：李鹏，李帅，王沛，蔡兰兰，严晗，罗琦，鲁中原，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42