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基于塞贝克效应的热电发电器件在深空探测和商用领域具有广阔的应用前景。对于填充方钴矿基热电器件,如何提高过渡层和热电材料界面的服役性能是重要的研究课题。本文一步法SPS烧结制备了组成为Ti-Al过渡层/Yb0.6Co4Sb12(Yb0.6SKD)材料的热电元件,对元件的界面扩散行为,界面剪切强度和接触电阻率的服役性能进行了研究。主要内容如下:
以简单混合Ti3Al粉末为过渡层,优化了热电元件的一步法SPS烧结工艺,对热电元件进行了600℃真空热持久,研究了元件的界面扩散和剪切强度在热持久过程中的演化及其影响机制。发现元件烧结时界面Al原子即与Yb0.6SKD材料发生明显互扩散,并反应生成AlCo结构,该结构在热持久过程中具有类似扩散障的作用,一定程度上抑制了扩散层的生长,但其机械性能在热持久过程中迅速恶化,从而严重影响了界面剪切强度的服役性能。
为抑制界面处Al的扩散和AlCo结构的形成,随后对Ti3Al粉末进行了球磨,并优化了球磨工艺,研究了过渡层电性能、界面扩散以及界面剪切强度服役行为随球磨时间的演化及其影响机制。研究表明,球磨显著改善了过渡层粉末的均匀性和反应活性,促进了烧结过程中稳定的Ti3Al合金相的生成,因此有效抑制了元件的界面扩散,并显著改善了界面剪切强度的服役性能,元件界面剪切强度在600℃服役345小时后变化不大,达到13.3Mpa,但同时发现,长时间球磨对过渡层电性能有明显的负面影响。
为有效抑制界面扩散,并避免影响过渡层电性能,随后对Ti-Al过渡层粉末成分进行了优化,并仅对过渡层粉未进行短时间球磨。研究了600℃真空热持久过程中过渡层Al含量对界面扩散和接触电阻率稳定性的影响。研究发现,6atm.％的Al含量可有效抑制过渡层与Yb0.6SKD界而的元素扩散,原因是Ti94Al6过渡层中的Ti,Al颗粒在热持久过程中相互扩散,结果在Ti颗粒周围生成稳定的合金相,同时没有多余的界面Al原子向材料内部扩散;过渡层Al含量对界面接触电阻率的稳定性也具有重要影响,过渡层Al含量为6～15atm.%的元件,其界面接触电阻率的稳定性远高于以Ti为过渡层的元件,主要原因是提高Al含量改善了过渡层与Yb0.6SKD材料热膨胀系数的匹配度。