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热电材料是一种利用固体中载流子(电子和空穴)运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料,主要应用于温差发电和热电制冷。热电材料的能量转化效率高低采用一个无量纲的热电优值ZT进行衡量,ZT值越大,材料热电性能越优异。含铜的硫化物系列热电材料具有较高的ZT值,其中黝铜矿晶体结构复杂且高度对称,本身具有较低的晶格热导率及稳定性。因此本课题选取黝铜矿系热电材料作为主要研究对象,从材料制备和连接两方面进行研究,提升材料的热电性能并实现与电极间的高可靠性连接。采用熔炼+退火+热压烧结制备黝铜矿系热电材料,对制备过程中各阶段得到的材料进行晶体结构测试及微观组织分析,发现Cu12Sb4S13热电材料中存在第二相,影响材料整体的热电性能。通过掺杂Ni元素等电位取代Cu12Sb4S13中的Cu,抑制第二相的析出,最终获得单一相组成的Cu10.4Ni1.6Sb4S13热电材料。对掺杂元素前后的材料进行热电性能测试及各项参数对比,发现掺杂后的材料热电性能有所提升。在温度为427℃时,Cu12Sb4S13热电材料ZT值为0.54,Cu10.4Ni1.6Sb4S13热电材料ZT值为0.85。Cu10.4Ni1.6Sb4S13热电材料熔点为604℃,使用温度为420℃,为保证热电材料服役温度和稳定性,选择熔点在420℃-604℃之间的钎料体系。本课题首先采用Al-Si-Cu钎料和Zn-Al钎料对Cu10.4Ni1.6Sb4S13热电材料与Cu电极进行钎焊连接,得到的接头界面出现贯穿裂纹和溶蚀等缺陷,通过调节工艺参数仍无法消除,需更换钎料种类;采用Ag-Cu-Sn钎料对Cu10.4Ni1.6Sb4S13热电材料与Cu电极进行钎焊连接,在钎焊温度为500℃,保温时间为5min时,所得接头的界面结构为:Cu10.4Ni1.6Sb4S13/Cu2S3Sn/Sn S+Ag3Sn/Cu3Sn/Cu。在钎焊连接过程中,热电材料中的S元素发生较为严重的扩散且扩散距离较远,导致钎缝中生成大量硫化物。随着钎焊温度升高,S元素扩散程度加大,扩散到电极侧的S元素与Cu结合生成Cu2S化合物层而使母材产生溶蚀现象,溶蚀程度逐渐变大,溶蚀宽度呈指数性增长,最高接头强度只有3.1MPa。为了减缓接头扩散反应,采用Ag-Cu-Sn钎料并添加Ni扩散阻隔层对Cu10.4Ni1.6Sb4S13热电材料与Cu电极进行钎焊连接,钎焊温度为480℃,保温时间为2.5min,所得接头的界面结构为:Cu10.4Ni1.6Sb4S13/Ni Sb+Ni Sb S+Cu2S3Sn/Sn S+Ag3Sn/Ni3Sn2/Ni/(Cu,Ni)3Sn2/Ag3Sn+Cu3Sn/Cu3Sn,发现Ni扩散阻隔层能够有效地阻碍热电材料中S元素的扩散。钎焊工艺参数对接头界面组织和力学性能具有重要影响,在钎焊温度为480℃,保温时间为5min时,热电材料侧反应层清晰明显且厚度适中,界面各区域形成了良好的冶金结合,接头平整且无明显缺陷,界面结构最优,此时接头抗剪强度可达9.3MPa,相较无扩散阻隔层提升200%。对接头断口进行分析,得到Cu10.4Ni1.6Sb4S13/Cu接头断裂机制为沿晶脆性断裂,断裂位置出现在热电材料侧反应层及热电材料上。