一种以MAX或Mxene为阻隔层的方钴矿基热电材料与金属电极的连接方法技术

一种以MAX或Mxene为阻隔层的方钴矿基热电材料与金属电极的连接方法，涉及一种可用于方钴矿基热电材料与金属电极材料的连接方法。为了解决方钴矿系热电材料与金属电极在焊接以及服役过程中元素扩散问题。本发明专利技术选用三元层状化合物MAX相陶瓷或二维MXene作为方钴矿系热电材料与金属电极之间的防止元素扩散阻隔层，MAX相陶瓷与金属电极和方钴矿系热电材料在焊接过程中的没有严重界面反应，元素扩散在MAX相陶瓷晶粒或MXene内部极其微弱，而在晶界处扩散速度较快，并且不会形成连续的脆性化合物。并且MAX相陶瓷材料或MXene的导电性很高，膨胀系数接近方钴矿系热电材料。膨胀系数接近方钴矿系热电材料。膨胀系数接近方钴矿系热电材料。

【技术实现步骤摘要】
一种以MAX或Mxene为阻隔层的方钴矿基热电材料与金属电极的连接方法


[0001]本专利技术涉及一种可用于方钴矿基热电材料与金属电极材料的连接方法。

技术介绍

[0002]热电材料是一种可以直接将热能直接转化为电能的材料。以热电材料构成的热电器件具有简单、无机械传动、稳定、无需维护等优势。特别是适合应用于航空航天、汽车尾气、电厂等废热回收领域。目前方钴矿系热电材料(CoSb3)因其具有优异的热电性能以及良好的力学性能，是最具实际应用潜力的中温热电材料。热电器件的转换效率和输出功率不仅与材料的性能有关还要受热电材料与金属电极的连接效果所制约。
[0003]MAX相陶瓷也称为MAX相化合物，该类化合物可用统一的化学式M
n+1
AX
n
表示，其中M为过渡族金属元素，A主要为III A和IV A族元素，X为C或N。当n＝1时，成为H相或211相，目前实验中已发现的MAX相绝大部分是H相，如Ti2AlC、Cr2AlC等；当n＝2时，称为312相，如Ti3SiC2、Ti3AlC2、Ta3AlC2；当n＝3时，简称413相，如Ti4AlN3。其具有维氏硬度和剪切模量，高屈服强度，高杨氏模量，高熔点，优良的抗热震性能，可加工，较高的屈服强度，高温下具有塑性，高热稳定性和良好的抗氧化及耐腐蚀性能。常见的MAX相陶瓷有(Ti2PbC、V2GeC、Cr2SiC、Cr2GeC、V2PC、V2AsC、Ti2SC、Zr2InC、Zr2TlC、Nb2AlC、Nb2GaC、Nb2InC、Sc2InC、Ti2AlC、Ti2GaC、Ti2TlC、V2AlC、V2GaC、Cr2GaC、Ti2AlN、Ti2GaN、Ti2InN、V2GaN、Cr2GaN、Ti2GeC、Ti2SnC、Nb2SC、Hf2SC、Hf2InC、Hf2TlC、Ta2AlC、Ta2GaC、Hf2SnC、Hf2PbC、Hf2SnN、Ti3AlC2、Ti4GeC3、V3AlC2、Mo2GaC、Zr2InN、Zr2TlN、Zr2SnC、Zr2PbC、Nb2SnC、Nb2PC、Nb2AsC、Zr2SC、Ti2InC、Ta3AlC2、Ti3SiC2、Ti3GeC2、Ti3SnC2、Ti4AlN3、V4AlC3、Ti4GaC3、Nb4AlN3、Ta4AlC3、Ti4SiC3)
[0004]MXene是一类新型的具有类石墨烯结构的二维材料，由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物构成。其化学通式为M
n+1
X
n
T
x
，其中n＝1、2或3，M代表前过渡金属元素，如Sc、Ti、Zr、V等；X代表碳或氮/碳和氮；T
x
代表合成过程中不可避免出现在其表面上的官能团。MXene二维晶体材料是MAX相通过化学溶剂刻蚀而得到的。因MAX相物质种类众多，因而通过化学刻蚀方法可以得到大量具有特殊性能的MXene材料。
[0005]方钴矿系热电器件的热端工作温度一般在550℃左右，因此金属电极与方钴矿系热电材料的连接界面会存在严重的元素扩散问题，在焊接以及长期服役过程中，连续的脆性界面反应层的生成往往会导致接头接触电阻、接触热阻的增大，以及接头连接强度的降低。
[0006]因此，专利技术一种可用于方钴矿系热电材料与金属电极可靠的连接方法是具有重大的现实意义。

技术实现思路

[0007]本专利技术为了解决方钴矿系热电材料与金属电极在焊接以及服役过程中元素扩散问题，提出一种以MAX或Mxene为阻隔层的方钴矿基热电材料与金属电极的连接方法。
[0008]本专利技术以MAX或Mxene为阻隔层的方钴矿基热电材料与金属电极的连接方法按照以下步骤进行：
[0009]一、首先对方钴矿热电材料和金属电极进行切割，然后对方钴矿热电材料的待焊接面和金属电极的待焊接面进行预处理；所述预处理工艺为：对待焊接面依次进行金相砂纸逐级打磨、抛光、乙醇和丙酮清洗除油、吹干；将处理后的方钴矿热电材料和金属电极在无氧或者惰性气体气氛下保存；
[0010]二、按照方钴矿系热电材料、阻隔层、金属电极的顺序进行装配，得到待焊件，最后进行扩散焊；
[0011]所述阻隔层为MAX相陶瓷片或MXene薄膜。
[0012]本专利技术另一种以MAX或Mxene为阻隔层的方钴矿基热电材料与金属电极的连接方法按照以下步骤进行：
[0013]一、首先对金属电极进行切割，然后对金属电极的待焊接面进行预处理，所述预处理工艺为：对待焊接面依次进行金相砂纸逐级打磨、抛光、乙醇和丙酮清洗除油、吹干；将处理后的金属电极在无氧或者惰性气体气氛下保存；
[0014]二、将方钴矿热电材料粉末置于石墨模具中，再将阻隔层材料置于方钴矿热电材料之上，然后进行热压烧结，得到表面覆盖MAX相陶瓷或者MXene的方钴矿热电材料；
[0015]所述阻隔层材料为MAX陶瓷粉末、MAX相陶瓷薄片、或者MXene薄膜或MXene粉末；
[0016]三、将表面覆盖MAX相陶瓷或者MXene的方钴矿热电材料与金属电极进行装配，MAX相陶瓷或者Mxene朝向金属电极的待焊接面，进行扩散焊；或者在金属电极和表面覆盖MAX相陶瓷或者MXene的方钴矿热电材料之间放置钎料，MAX相陶瓷或者Mxene朝向金属电极的待焊接面，进行钎焊。
[0017]本专利技术的有益效果是：
[0018]本专利技术选用三元层状化合物MAX相陶瓷或二维MXene作为方钴矿系热电材料与金属电极之间的防止元素扩散阻隔层。不同于传统金属阻隔层，本专利技术所采用的MAX相陶瓷与金属电极和方钴矿系热电材料在焊接过程中的没有严重界面反应，它们之间的元素扩散在MAX相陶瓷晶粒或MXene内部极其微弱，而在晶界处扩散速度较快，并且不会形成连续的脆性化合物。并且MAX相陶瓷材料或MXene的导电性很高，接近金属材料，MAX相陶瓷膨胀系数可达9
×
10
‑6/K，接近方钴矿系热电材料的膨胀系数，MXene材料为二维材料，膨胀系数未见报道。因此，以MAX相陶瓷材料或Mxene作为防止元素扩散阻隔层连接强度高，接头接触电阻低，室温抗剪强度可以达到7MPa以上。本专利技术可以通过选则MAX相或MXene种类，调控MAX相陶瓷或MXene阻隔层的厚度，扩散连接/钎焊连接温度以及保温时间，可以控制界面反应层的种类，厚度及分布方式，进而控制焊接接头的强度以及热、电输运性能。
附图说明
[0019]图1为实施例1得到的MAX相陶瓷/方钴矿热电材料界面的SEM图；
[0020]图2为实施例1得到的Cu/MAX相陶瓷/方钴矿热电材料接头的抗剪强度曲线；
[0021]图3为实施例2得到的Cu/MAX相陶瓷/方钴矿热电材料界面的SEM图。
具体实施方式
[0022]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。
[0023]具体实施方式一：本实施方式以MAX或Mxene为阻隔层的方钴矿基热电材料与金本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种以MAX或Mxene为阻隔层的方钴矿基热电材料与金属电极的连接方法，其特征在于：以MAX或Mxene为阻隔层的方钴矿基热电材料与金属电极的连接方法按照以下步骤进行：一、首先对方钴矿热电材料和金属电极进行切割，然后对方钴矿热电材料的待焊接面和金属电极的待焊接面进行预处理；所述预处理工艺为：对待焊接面依次进行金相砂纸逐级打磨、抛光、乙醇和丙酮清洗除油、吹干；将处理后的方钴矿热电材料和金属电极在无氧或者惰性气体气氛下保存；二、按照方钴矿系热电材料、阻隔层、金属电极的顺序进行装配，得到待焊件，最后进行扩散焊；所述阻隔层为MAX相陶瓷片或MXene薄膜。2.根据权利要求1所述的以MAX或Mxene为阻隔层的方钴矿基热电材料与金属电极的连接方法，其特征在于：步骤二所述阻隔层的厚度为50
‑
400μm。3.根据权利要求1所述的以MAX或Mxene为阻隔层的方钴矿基热电材料与金属电极的连接方法，其特征在于：步骤二所述扩散焊的工艺为：在真空度为5
×
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‑3Pa以下的真空焊接炉中，采用5～20MPa焊接压力，以5
‑
10℃/min的速率缓慢升温至600～680℃并保温1～100min，然后缓慢降至室温。4.一种以MAX或Mxene为阻隔层的方钴矿基热电材料与金属电极的连接方法，其特征在于：以MAX或Mxene为阻隔层的方钴矿基热电材料与金属电极的连接方法按照以下步骤进行：一、首先对金属电极进行切割，然后对金属电极的待焊接面进行预处理，所述预处理工艺为：对待焊接面依次进行金相砂纸逐级打磨、抛光、乙醇和丙酮清洗除油、吹干；将处理后的金属电极在无氧或者惰性气体气氛下保存；二、将方钴矿热电材料粉末置于石墨模具中，再将阻隔层材料置于方钴矿热电材料之上，然后进行热压烧结，得到表面覆盖MAX相陶瓷或者MXene的方钴矿热电材料；所述阻隔层材料为MAX陶瓷粉末、MAX相陶瓷薄片、或者MXene薄膜或MXene粉末；三、将表面覆盖MAX相陶瓷或者MXene的方钴矿热电材料与金属电极进行装配，MAX相陶瓷或者Mxene朝向金属电极的待焊接面，进行扩散焊；或者...

【专利技术属性】
技术研发人员：张丽霞，潘辉，常青，张博，孙湛，耿慧远，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：