一种用于方钴矿热电材料与电极的快速扩散焊连接方法技术

一种用于方钴矿热电材料与电极的快速扩散焊连接方法，涉及一种扩散焊连接方法。目的是解决现有方钴矿热电材料与电极连接时存在Sb元素挥发和元素扩散的问题。方法：取电极并对待焊面进行清理，在电极待焊面表面电镀合金阻隔层，方钴矿热电材料待焊面清理，进行扩散焊。本发明专利技术在电极侧通过电镀法制备阻隔层，再与方钴矿热电材料在相对较低的压力和相对较低的温度下实现扩散焊，过程中不存在焊缝元素与方钴矿的元素扩散，能够防止Sb元素挥发和元素扩散的发生。本发明专利技术适用于方钴矿热电材料与电极焊接。

A rapid diffusion welding method for the connection of Skutterudite Thermoelectric Materials and electrodes

【技术实现步骤摘要】
一种用于方钴矿热电材料与电极的快速扩散焊连接方法
本专利技术涉及一种扩散焊连接方法。
技术介绍
方钴矿是目前中温段(500℃-550℃)热电性能最好的热电材料之一，方钴矿作为最常见的中温热电材料，不仅具有良好的机械性能和可靠性，还具有优异的经济性和环境友好性。在热电器件的制备中，需要将p型热电材料和n型热电材料进行串联组成闭合回路。然而，由于接触电阻，扩散问题以及热膨胀系数等问题存在，实现方钴矿热电材料与电极的可靠连接具有重要的意义。方钴矿热电材料的使用温度为25℃～550℃，目前方钴矿热电材料与电极的连接多为钎焊，适合方钴矿热电材料的适焊温度的钎料较少，大多数在650℃左右，由于焊接温度较高，焊接时方钴矿中的Sb元素易挥发，导致方钴矿热电材料的热电转换效率变低。在高温服役与钎焊的过程中，焊缝钎料元素与方钴矿易发生严重的元素扩散，导致接头的强度和方钴矿热电材料的热电转换效率变低，接触电阻率提高。
技术实现思路
本专利技术为了解决现有方钴矿热电材料与电极连接时存在Sb元素挥发和元素扩散的问题，提出一种用于方钴矿热电材料与电极的快速扩散焊连接方法。本专利技术用于方钴矿热电材料与电极的快速扩散焊连接方法是按照以下步骤进行：步骤一、取电极并对待焊面进行清理；步骤二、在步骤一处理后的电极待焊面表面电镀合金阻隔层；所述电镀的温度为40～65℃，电流为0.5～1.5A，时间为15～120min；步骤三、方钴矿热电材料待焊面清理；步骤四、将步骤二处理得到的电极和方钴矿热电材料叠放，电极的合金阻隔层朝向方钴矿热电材料待焊面，构成焊件，进行扩散焊，扩散焊后降温至室温，即完成；所述扩散焊的工艺为：向焊件施加的机械压力为1～5MPa，温度为550～600℃，时间为8～12min；焊焊接时升温速度为1～10℃/min，焊接后降温速度为1～10℃/min。本专利技术原理及有益效果为：1、本专利技术在电极侧通过电镀法制备阻隔层，再与方钴矿热电材料在相对较低的压力和相对较低的温度下实现扩散焊，扩散焊接后方钴矿热电材料和电极发生冶金反应，可靠性高，低温下方钴矿热电材料中Sb元素不会发生挥发。本专利技术无需使用钎料，因此在高温服役过程中不存在焊缝钎料元素与方钴矿的元素扩散，因此保证了接头的强度和接触电阻率、以及热电材料的热电转换效率；接头的强度达20MPa，接触电阻率最低达到1.41μΩ·cm2，550℃时热电材料的热电转换效率高于11.5％；2、本领域中，通常在钎焊前制备阻隔层，能够有效减少焊缝与方钴矿的元素扩散，现有阻隔层的制备多为热压法，热压过程中压力达到76MPa，在高压下方钴矿热电材料与阻隔层厚度难以控制。本专利技术由于在低压力下进行焊接，因此能精确地控制方钴矿热电材料、阻隔层和电极的厚度，连接方法高效。3、本专利技术采用的Co-Mo，Co-W和Co材质的阻隔层能够同时与电极和方钴矿热电材料发生冶金反应，形成高强度的结合，使界面具有较高的强度，接头的室温抗剪强度达到15MPa以上。其中接头的强度提高的原理为：阻隔层与方钴矿热电材料发生反应时，通过Co元素的扩散与方钴矿生成了CoSb和CoSb2；阻隔层与电极发生反应时，电极中的Cu与阻隔层形成固溶体。4、本专利技术选择电镀法在电极侧制备阻隔层，能在较短时间内获得较厚的镀层，此外在电镀Co-Mo及Co-W镀层时，能通过改变电镀温度、电流以及电镀液配方等有效地来改变镀层成分，从而调节阻隔层热膨胀系数，使阻隔层和方钴矿热电材料的膨胀系数更加匹配，进而使阻隔层与方钴矿热电材料间的应力减小。附图说明图1为实施例1中得到的CoSb3/Co-W/Cu-Mo界面SEM图；图2为实施例2中得到的CoSb3/Co-Mo/Cu界面SEM图；图3为实施例3中得到的CoSb3/Co/Cu-Mo界面SEM图；图4为实施例4中得到的CoSb3/Co-Mo/Cu-Mo界面SEM图；图5为实施例5中得到的CoSb3/Co-Mo/Cu-Mo界面SEM图。具体实施方式：本专利技术技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意合理组合。具体实施方式一：本实施方式用于方钴矿热电材料与电极的快速扩散焊连接方法是按照以下步骤进行：步骤一、取电极并对待焊面进行清理；步骤二、在步骤一处理后的电极待焊面表面电镀合金阻隔层；所述电镀的温度为40～65℃，电流为0.5～1.5A，时间为15～120min；步骤三、方钴矿热电材料待焊面清理；步骤四、将步骤二处理得到的电极和方钴矿热电材料叠放，电极的合金阻隔层朝向方钴矿热电材料待焊面，构成焊件，进行扩散焊，扩散焊后降温至室温，即完成；所述扩散焊的工艺为：向焊件施加的机械压力为1～5MPa，温度为550～600℃，时间为8～12min；焊焊接时升温速度为1～10℃/min，焊接后降温速度为1～10℃/min。1、本实施方式在电极侧通过电镀法制备阻隔层，再与方钴矿热电材料在相对较低的压力和相对较低的温度下实现扩散焊，扩散焊接后方钴矿热电材料和电极发生冶金反应，可靠性高，低温下方钴矿热电材料中Sb元素不会发生挥发。本实施方式无需使用钎料，因此在高温服役过程中不存在焊缝钎料元素与方钴矿的元素扩散，因此保证了接头的强度和接触电阻率、以及热电材料的热电转换效率；接头的强度达20MPa，接触电阻率最低达到1.41μΩ·cm2，550℃时热电材料的热电转换效率高于11.5％；2、本领域中，通常在钎焊前制备阻隔层，能够有效减少焊缝与方钴矿的元素扩散，现有阻隔层的制备多为热压法，热压过程中压力达到76MPa，在高压下方钴矿热电材料与阻隔层厚度难以控制。本实施方式由于在低压力下进行焊接，因此能精确地控制方钴矿热电材料、阻隔层和电极的厚度，连接方法高效。3、本实施方式采用的Co-Mo，Co-W和Co材质的阻隔层能够同时与电极和方钴矿热电材料发生冶金反应，形成高强度的结合，使界面具有较高的强度，接头的室温抗剪强度达到15MPa以上。其中接头的强度提高的原理为：阻隔层与方钴矿热电材料发生反应时，通过Co元素的扩散与方钴矿生成了CoSb和CoSb2；阻隔层与电极发生反应时，电极中的Cu与阻隔层形成固溶体。4、本实施方式选择电镀法在电极侧制备阻隔层，能在较短时间内获得较厚的镀层，此外在电镀Co-Mo及Co-W镀层时，能通过改变电镀温度、电流以及电镀液配方等有效地来改变镀层成分，从而调节阻隔层热膨胀系数，使阻隔层和方钴矿热电材料的膨胀系数更加匹配，进而使阻隔层与方钴矿热电材料间的应力减小。具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一所述电极待焊面清理方法为：依次用600号、1000号、2000号、3000号、5000号水磨砂纸逐级打磨电极待焊面，然后抛光处理，最后进行超声清洗；电极待焊面清理能够除去氧化膜和油污。其他步骤和参数与具体实施方式一相同。...

【技术保护点】
1.一种用于方钴矿热电材料与电极的快速扩散焊连接方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：/n步骤一、取电极并对待焊面进行清理；/n步骤二、在步骤一处理后的电极待焊面表面电镀合金阻隔层；/n所述电镀的温度为40～65℃，电流为0.5～1.5A，时间为15～120min；/n步骤三、方钴矿热电材料待焊面清理；/n步骤四、将步骤二处理得到的电极和方钴矿热电材料叠放，电极的合金阻隔层朝向方钴矿热电材料待焊面，构成焊件，进行扩散焊，扩散焊后降温至室温，即完成；/n所述扩散焊的工艺为：向焊件施加的机械压力为1～5MPa，温度为550～600℃，时间为8～12min；焊焊接时升温速度为1～10℃/min，焊接后降温速度为1～10℃/min。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于方钴矿热电材料与电极的快速扩散焊连接方法，其特征在于：该方法按照以下步骤进行：
步骤一、取电极并对待焊面进行清理；
步骤二、在步骤一处理后的电极待焊面表面电镀合金阻隔层；
所述电镀的温度为40～65℃，电流为0.5～1.5A，时间为15～120min；
步骤三、方钴矿热电材料待焊面清理；
步骤四、将步骤二处理得到的电极和方钴矿热电材料叠放，电极的合金阻隔层朝向方钴矿热电材料待焊面，构成焊件，进行扩散焊，扩散焊后降温至室温，即完成；
所述扩散焊的工艺为：向焊件施加的机械压力为1～5MPa，温度为550～600℃，时间为8～12min；焊焊接时升温速度为1～10℃/min，焊接后降温速度为1～10℃/min。


2.根据权利要求1所述的用于方钴矿热电材料与电极的快速扩散焊连接方法，其特征在于：步骤一所述电极待焊面清理方法为：依次用600号、1000号、2000号、3000号、5000号水磨砂纸逐级打磨电极待焊面，然后抛光处理，最后进行超声清洗；电极待焊面清理能够除去氧化膜和油污。


3.根据权利要求1所述的用于方钴矿热电材料与电极的快速扩散焊连接方法，其特征在于：步骤一所述电极为铜基电极。


4.根据权利要求2所述的用于方钴矿热电材料与电极的快速扩散焊连接方法，其特征在于：步骤一所述抛光处理在抛光机上进行，抛光时采用的抛光剂的粒径为0.5～1.5μm，抛光机转速为1000～1100r/min，抛光时间为10～120min。


5.根据权利要求1所述的用于方钴矿热电材料与电极的快速扩散焊连接方法，其特征在于：...

【专利技术属性】
技术研发人员：耿慧远，冯杭彬，张丽霞，冯吉才，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙;23