Mg浓度梯度对Mg2Si基热电接头界面性能的影响及分析

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热电转换技术作为一种新型能源转换技术,可实现低品位热能的回收利用,对我省产业与能源结构革命有十分重要的意义。热电模块具有环保,安全性高,维护简单等优点,在废热回收以及国防军工,航空航天,深海探测等领域有广阔的应用前景。模块制造的关键技术之一在于热电材料基体与导流电极界面的制备与优化,界面性能的优劣将直接关系到热电器件的性能与服役期限。本文主要以界面两侧镁元素浓度梯度为出发点,采用放电等离子烧结技术(SPS)制备出一系列成分变化的电极材料与热电接头。对不同成分的电极材料的物相组成、电阻率,以及相应热电接头的界面性能进行了对比分析,旨在探究界面原子扩散和点缺陷行为与微观结构和宏观性能之间的关联,得到以下研究结果:Mg2SiNi3与Mg2Si相匹配的功函数能够有效降低接头的界面势垒,有利于界面电学性能的提升。MgxSi15Ni50名义成分对于电极材料性能的影响存在饱和值,当x≥50时,电极材料的晶格常数与电阻率等物理参数基本保持不变。MgxSi15Ni50/Mg2Si(x=36,50,130)系列接头界面连接良好,界面抗剪强度与接触电阻均满足器件实际应用提出的要求。由于界面Mg浓度梯度的减小,增加电极材料中Mg占比可有效抑制热电元素的过度扩散,避免镁损耗层的形成,进而减轻缺陷数量与类型变化对Mg2Si基非化学计量热电化合物的消极作用。对于Bi掺杂的Mg2Si热电材料,载流子浓度梯度以及界面能级结构的变化极大地减小了接头接触电阻,其大小只有10~30μΩ·cm2。MgxSi15Ni50/Mg2Si(x=36,50,130)系列接头在400°C的环境下经过长达480 h的加速时效实验后,界面仍保持稳定,最小抗剪强度保持在14MPa以上,且接触电阻变化趋势平缓。提高电极材料中的Mg占比有利于提升接头的界面质量和热稳定性。
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