基于纳米银烧结的热电材料/铜电极界面性能研究

温差发电作为一种新型的绿色能源回收利用技术已经成为各国专家学者研究的热点,利用汽车尾气余热温差发电不仅可以最大程度避免资源浪费还可以减小由于尾气排放造成的环境污染,有着光明的应用前景。本文针对回收利用汽车尾气余热的宽温域温差发电器件的纳米银烧结界面进行了研究,采用磁控溅射制备了W-Ti作为温差发电器件铜电极的扩散阻挡层,随后使用纳米银膏低温烧结形成接头。纳米银烧结接头的时效实验表明,当时效温度低于350℃时,扩散阻挡层可以成功阻挡铜电极向纳米银层的扩散,当350℃时效120 h后在距离扩散阻挡层2~3μm的银膏处可以检测到铜元素的存在,时效温度提高到400℃时仅需要时效24 h便会出现类似现象,接头剪切实验表明断口位置随着时效条件的恶化由银膏层向阻挡层与银膏层的结合处发生转移;利用加速热循环实验研究了中高温热电材料/扩散阻挡层/纳米银层界面在250℃~350℃热循环条件下微观结构的变化以及元素扩散的相关情况,实验表明在循环过程中中温热电材料(P型AgSbTe2.01/N型Ag0.8Pb22.5SbTe20)内部组成元素在靠近316不锈钢阻挡层区域发生自扩散,形成与原来组分结构不同的物质,同时界面剪切性能也发生改变,具体表现为在循环300次之后P型中温热电材料AgSbTe2.01/316不锈钢扩散阻挡层/纳米银膏界面剪切强度开始变小,但是热循环处理500次,其大小仍能达到10 MPa以上,满足可靠性的需求,而N型中温热电材料Ag0.8Pb22.5SbTe20/316不锈钢扩散阻挡层/纳米银膏界面在循环100次之后剪切强度开始明显变小,但是在达到300次之后剪切强度随着循环次数增加又能保持相对稳定,大小接近10 MPa,高温热电材料/W-Ti扩散阻挡层/纳米银膏界面在热循环处理500次之后界面结构仍维持稳定,剪切强度在15 MPa以上;最后使用ANSYS有限元模拟优化了680 K~800 K高温热电发电单体的热管理系统设计,优化后的热电单体输出功率最大约为7.76×10-3 W,热电转换效率约为1%。