一种分段热电器件连接用焊片及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种分段热电器件连接用焊片及其制备方法，所述焊片具有A/B/A三层结构，其中A为低熔点组元组成的金属层，B为低熔点组元和高熔点组元组成的混合层；所述低熔点组元选自铅及其合金、锡及其合金、铟及其合金、锌及其合金、铝及其合金中的至少一种，所述高熔点组元选自钛、铬、铁、钴、镍、铜、锗、锆、银、金、铂、碲、锑、铌、钴中的至少一种元素。本发明专利技术的A/B/A三层结构焊片是经过压力加工形成一个整体，可以自由裁剪，以及可以很方便地用于热电材料的连接和已成型的热电器件之间的连接。

A kind of welding chip for the connection of segmented thermoelectric devices and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种分段热电器件连接用焊片及其制备方法
本专利技术涉及一种分段热电器件连接用焊片及其制备方法，属于热电发电

技术介绍
热电发电技术利用热电半导体材料的赛贝克效应直接将热能转换为电能，具有系统体积小、结构紧凑、无活动部件、免维护、无噪音、无排放、可靠性高及寿命长等特点，在深空探测电源及特种军用电源上获得了重要应用，在太阳能光电-热电复合发电、工业余废热——特别是汽车尾气废热回收热电发电方面具有广阔的应用前景和潜在的经济社会效益。热电发电技术的关键部件——热电器件主要由p型n型热电材料、电极和电绝缘陶瓷基板组成。热电转换效率为：取决于热电材料高温端和低温端之间的温差(TH-TC)和热电材料的无量纲热电性能优值ZT。热电材料根据使用温度范围分为高温、中温和低温热电材料。通常采用热电材料的平均即ZT-T曲线的积分面积，计算热电转换效率；到目前单一材料热电转换效率低，鲜有超过10％的[1]；如果进行宽温域分段热电材料设计，则可以显著提高从而提高热电器件的热电转换效率[2]。常见热电材料，如高温的锗硅、中温的碲化铅、低温的碲化铋等，其器件技术成熟，产品已经获得实际应用，但是高效宽温域分段热电器件技术正处于研发阶段，其关键是分段热电器件的连接技术，包括分段热电材料元件——高温/中温、中温/低温、高温/中温/低温热电材料元件之间的连接和高温热电材料元件与电极之间的连接。SejinYoon等[3]报道了采用放电等离子烧结技术链接n型碲化铋/碲化铅两种热电材料，但是烧结法无法制备分段热电器件。专利[4]公开了采用焊接方法制备三段热电器件，从高温端到低温端依次需要采用不同的焊料进行四次焊接，器件的材料和结构承受热循环，器件异质结构局部会产生应力集中，导致器件可靠性下降，甚至局部开裂而失效；焊接温度远高于热电材料的使用温度，这会导致温度敏感热电材料的性能受损，降低器件的热电转换效率；常用焊接方法为钎焊或扩散焊接，其焊接温度为固定值，若更换不同的热电材料需要更换不同的焊接材料，工艺上复杂且成本较高；并且对热电材料原件的高度一致要求严格，如果热电元件存在高度偏差就会导致局部虚焊，这种方法工艺复杂，难以规模化制备多段热电器件。专利[5,6]公开了压接方法制备分段热电器件，该方法属于机械接触，器件界面接触电阻和接触热阻热较高，器件的热电转换效率大幅度降低。综上所述，现有的烧结、焊接和压接方法难以解决分段热电器件的链接而又不降低性能等问题。专利文献：[1]ZhangQ.H.,HuangX.Y.,Bai,S.Q.,ShiX.,UherC.,ChenL.D.,ThermoelectricDevicesforPowerGeneration:RecentProgressandFutureChallenges,AdvancedEngineeringMaterials2016,18:194-213.[2]OuYang.,Li.D.,Modellingofsegmentedhigh-performancethermoelectricgeneratorswitheffectsofthermalradiation,electricalandthermalcontactresistances,ScientificReports2016,6:1-12.[3]SejinYoon,Jun-YoungCho,HyunKoo,ThermoelectricPropertiesofn-TypeBi2Te3/PbSe0.5Te0.5SegmentedThermoelectricMaterial,JournalofElectronicmaterials2013,41:414-418.[4]中国专利公开号CN107681044A；[5]中国专利公开号CN103022338A；[6]中国专利公开号CN105006517A。
技术实现思路
为了解决现有焊料连接分段热电器件存在的问题，本专利技术提供了一种分段热电器件连接用焊片及其制备方法。一方面，本专利技术提供了一种分段热电器件连接用焊片，所述焊片具有A/B/A三层结构，其中A为低熔点组元组成的金属层，B为低熔点组元和高熔点组元组成的混合层；所述低熔点组元选自铅及其合金、锡及其合金、铟及其合金、锌及其合金、铝及其合金中的至少一种，所述高熔点组元选自钛、铬、铁、钴、镍、铜、锗、锆、银、金、铂、碲、锑、铌、钴中的至少一种元素。在本公开中，焊片具有A/B/A三层结构(A为低熔点的金属箔或者涂层(低熔点组元)，B为低熔点组元粉体与高熔点组元粉体组成的混合物)。在后续连接过程中焊片中的低熔点金属箔(或者涂层)和混合层中粉体熔化实现分段热电材料连接，并在后续的热处理过程中混合层和A层中低熔点组元同时与高熔点粉体反应生成高熔点金属间化合物，保证接头在较高使用温度下稳定，从而实现分段热电器件的低温连接、高温应用。采用本专利技术所述的焊片连接分段热电器件，可以降低连接温度，简化连接工装，减少连接次数，使得分段热电器件的连接工艺简单，操作方便，节省时间，而且还可以避免高温电极连接对中温低温热电材料的损伤及热应力对器件可靠性的不利影响。较佳的，所述混合层中低熔点组元与高熔点组元的质量比为1：(0.20～2.5)。较佳的，所述金属层的厚度为5～100μm。较佳的，所述混合层的厚度为10～200μm。另一方面，本专利技术提供了一种上述的分段热电器件连接用焊片的制备方法，包括：(1)按照质量比称取低熔点组元粉体和高熔点组元粉体并混合，得到混合粉体；(2)将低熔点组元组成的金属层和混合粉体，按照A/B/A的结构依次置于模具和压机中，在10～50MPa的压力下压制成型，得到所述分段热电器件连接用焊片。较佳的，所述低熔点组元粉体的粒径为0.1～100μm；所述高熔点组元粉体的粒径为0.1～100μm。较佳的，所述混合的方式为机械混合，所述机械混合的转速为50～300转/分钟，时间为10～30h。较佳的，相对于金属层的上表面的面积，所述混合粉体的加入量为0.05～0.3g/cm2。较佳的，所述低熔点组元组成的金属层为低熔点组元组成的金属箔层、或由低熔点组元粉体组成涂料A形成的金属涂层。又，所述涂料A包含低熔点组元粉体和有机溶剂，所述有机溶剂选自酒精、丙酮、甲醇、乙醚和四氯化碳中的至少一种。与现有技术相比，本专利技术的有益效果包括：(1)本专利技术的A/B/A三层结构焊片是经过压力加工形成一个整体，可以自由裁剪，以及可以很方便地用于热电材料的连接和已成型的热电器件之间的连接；(2)采用本专利技术所述的分段热电器件连接用焊片，可以同时连接分段热电器件的多个接头，无需选择多种不同的焊料，无需使用模具，极大程度上简化了连接程序；(3)对于三段及以上的热电器件，采用本专利技术所述的分段热电器件连接用焊片，无需多次焊接，从而避免循环热应力对器件的不利影响；(4)采用本专利技术所述的分段热电器件连接用焊片，不会因为焊接过热本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分段热电器件连接用焊片，其特征在于，所述焊片具有A/B/A三层结构，其中A为低熔点组元组成的金属层，B为低熔点组元和高熔点组元组成的混合层；所述低熔点组元选自铅及其合金、锡及其合金、铟及其合金、锌及其合金、铝及其合金中的至少一种，所述高熔点组元选自钛、铬、铁、钴、镍、铜、锗、锆、银、金、铂、碲、锑、铌、钴中的至少一种元素。/n

【技术特征摘要】
1.一种分段热电器件连接用焊片，其特征在于，所述焊片具有A/B/A三层结构，其中A为低熔点组元组成的金属层，B为低熔点组元和高熔点组元组成的混合层；所述低熔点组元选自铅及其合金、锡及其合金、铟及其合金、锌及其合金、铝及其合金中的至少一种，所述高熔点组元选自钛、铬、铁、钴、镍、铜、锗、锆、银、金、铂、碲、锑、铌、钴中的至少一种元素。


2.根据权利要求1所述的焊片，其特征在于，所述混合层中低熔点组元与高熔点组元的质量比为1：（0.20～2.5）。


3.根据权利要求1或2所述的焊片，其特征在于，所述金属层的厚度为5～100μm。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的焊片，其特征在于，所述混合层的厚度为10～200μm。


5.一种如权利要求1-4中任一项所述的分段热电器件连接用焊片的制备方法，其特征在于，包括：
（1）按照质量比称取低熔点组元粉体和高熔点组元粉体并混合，得到混合粉体；
（2）将低熔点组元组成的金属层和混合粉体，按照A/B...

【专利技术属性】
技术研发人员：李小亚，王维安，顾明，夏绪贵，廖锦城，吴洁华，邢云飞，陈立东，
申请(专利权)人：中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31