[发明专利]一种与Mg‑Si‑Sn基热电元件相匹配的分层电极及其连接工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种与Mg-Si-Sn基热电元件相匹配的分层电极及其连接工艺，属于热电器件电极选择与制备技术领域。

背景技术

热电材料是一种将热能和电能相互转化的功能材料，它利用本身的Seebeck效应将热能直接转化为电能；同时它利用Peltier效应可以将电能转化为热能。由热电材料制备的热电发电元件工作时不需要机械运动部位，也不发生化学反应，具有寿命长，可靠性高，对环境无污染等优点，热电材料元件在航天领域，工业余热，汽车尾气，地热等领域也具有很大的应用潜力。目前，利用热电材料实现低温制冷端技术已经相当成熟，例如碲化铋热电元件已经广泛应用于商业生产，实现了很多产品的制冷要求。而中高温的热电材料如碲化铅、硅锗的制备的元器件在美国等发达国家也开始应用于空间领域。

Mg₂Si热电材料是属于中温领域热电材料，相对其他热电材料而言，它有着原料资源丰富，价格低廉，无毒无污染，密度小等优点，n型掺杂的Mg₂Si材料的元器件受到众多学者的重视。热电材料元器件的电极材料的选择必须考虑以下几个方面：在使用温度范围内和相应的热电材料无严重相互扩散或者反应，从而保证热电材料自身性能不受影响；要有较高的电导率和热导率以降低能量的损耗；在使用温度范围内要具有一定的抗氧化性以保证器件的可靠性和使用寿命；最重要的一点是电极材料的热膨胀系数和相应的热电材料匹配以防止产生裂纹从而影响热电传输性能以及热稳定性。目前对于n型掺杂Mg₂Si材料的元器件，很多学者直接用Ni作为其电极，因为Ni金属与Mg₂Si热电材料达到热膨胀系数的匹配，而且化学性质稳定。也有研究在Ni电极和Mg₂Si材料之间引入一层Ni与过渡金属硅化物混合物作为中间层，来达到降低接触电阻的目的。尽管Mg₂Si基热电器件的研究颇多，但是n型掺杂Mg₂Si热电材料的性能始终不高，很难发展到应用阶段。

Mg-Si-Sn基热电材料与Mg₂Si相比，除了原料资源丰富，价格低廉，无毒无污染外，其热电优值有了很大程度的提高，许多学者均报道了ZT大于1.10的Mg-Si-Sn基热电材料，若以此为基体材料制得器件，其效率也将较大提高。国内我单位在Mg-Si-Sn基热电材料的制备和器件的制作上做了大量的工作，特别针对电极材料的选择及与Mg-Si-Sn基热电材料与电极材料可靠性连接上做了针对性的研究。在本课题组专利文献CN103219456中，采用Ni-Al合金加单质Al作为电极，利用SPS烧结连接制备出Mg-Si-Sn基热电材料元件；本发明在此基础上提出一种能够直接焊接的多层电极，并进一步改进了连接工艺，利用PAS烧结制备Mg-Si-Sn基热电材料元器件，实现Mg-Si-Sn基热电材料与多层电极的良好连接。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足而提供一种与Mg-Si-Sn基热电元件相匹配的分层电极及其连接工艺，具有良好的热匹配，可以直接与导流片直接焊接，接触电阻小于5％。

本发明为解决上述提出的问题所采用的技术方案为：

一种与Mg-Si-Sn基热电元件相匹配的多层电极，该电极分为三层结构，依次为：第一Ni-Al合金层、第二Ni-Al合金层以及单质Ag层。

按上述方案，第一Ni-Al合金层中Ni元素的质量百分含量为29％～39％，余量为Al元素。

按上述方案，第二Ni-Al合金层中Ni元素的质量百分含量为42％～59％，余量为Al元素。

按上述方案，第一Ni-Al合金层的厚度为0.5～0.8mm；第二Ni-Al合金层的厚度为0.1～0.2mm；单质Ag层的厚度为0.4～0.6mm。

本发明所述分层电极与Mg-Si-Sn基热电元件连接时，所述Mg-Si-Sn基热电元件的两端均与所述分层电极相连接，并且是以所述分层电极中的第一Ni-Al合金层作为接触层。

本发明所述分层电极与热电元件的连接工艺通过放电等离子烧结连接，具体工艺步骤为：

1)将Mg-Si-Sn基块体热电材料(即Mg-Si-Sn基热电元件)上下表面进行打磨，清除表面杂质；

2)按照第一Ni-Al合金层中Ni元素、Al元素的质量百分含量称取单质Ni粉和单质Al粉，混合研磨均匀，得到第一Ni-Al合金层的原料粉体；