【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于熱電材料連接，具體涉及提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法。
技術介紹
1、熱電器件是一種應用潛力巨大、能實現熱能和電能相互轉換的半導體能量轉換器件。方鈷礦熱電器件的服役溫度為300℃～600℃，是中溫熱電器件的代表。方鈷礦熱電器件在航天領域常用于深空探測，例如好奇者號火星探測器、卡西尼號土星探測器，都搭載了方鈷礦熱電器件，方鈷礦熱電器件將核反應堆產生的熱量轉換為電能，進而實現利用核能給飛行器長期供電。
2、方鈷礦熱電器件在制造過程中，需要電極和多個方鈷礦熱電腿進行釬焊，進而封裝成器件。現有方鈷礦與電極的釬焊技術存在兩個問題。一是長期服役性能衰減，方鈷礦熱電器件常用于深空探測等需要長期服役的環境，方鈷礦與電極之間持續的元素擴散，將導致界面反應層不斷生長、接觸電阻不斷增大、熱電性能不斷衰減。二是釬焊接頭強度低，方鈷礦熱電器件在服役過程中要經受反復的熱沖擊，方鈷礦與電極將發生不同程度的膨脹與收縮，導致界面存在較大的應力，如果方鈷礦與電極的釬焊結合強度不足，器件將產生裂紋甚至發生斷路。
3、綜上所述，獲得可長期服役的高強度方鈷礦熱電器件，對方鈷礦與電極的釬焊提出了兩個要求，一是界面反應層盡可能薄，這就需要阻隔元素擴散。二是接頭強度要高，這就需要緩解界面應力。如何讓釬焊接頭滿足以上兩個要求，是方鈷礦熱電器件大規模應用的關鍵前提。
技術實現思路
1、本專利技術為了解決現有的方鈷礦與電極釬焊的長期服役性較差和釬焊接頭強度低的問題，提出一種利
2、本專利技術利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法按以下步驟進行：
3、步驟一：將鈷粉和難熔金屬粉末放入球磨機中進行球磨，混合均勻后得到阻隔層粉末；
4、所述阻隔層粉末由鈷粉和難熔金屬粉末混合而成，阻隔層粉末中鈷粉的質量分數為50％～98％；
5、所述難熔金屬粉末為鎢粉、鉬粉、鈮粉、鉭粉中的一種或多種；
6、步驟二：將方鈷礦粉末倒入石墨模具中，然后在方鈷礦粉末上鋪一層阻隔層粉末，然后轉移至熱壓爐進行一體化熱壓燒結，得到預置阻隔層的方鈷礦；
7、所述一體化熱壓燒結步驟為：將熱壓爐抽真空至壓力小于1kpa，然后充入氬氣至熱壓爐內氬氣壓力為50～100kpa，然后施加50～70mpa壓力，加熱至700～800℃并保溫5～20min，最后冷卻至100～200℃；
8、步驟三：對預置阻隔層的方鈷礦中的阻隔層表面和電極的待焊面依次進行打磨、拋光和清洗，然后在預置阻隔層的方鈷礦中的阻隔層和電極的待焊面進之間放置釬料，進行釬焊；
9、所述釬料為cu基釬料；
10、所述釬焊工藝為：真空爐的真空壓力小于5×10-3pa，以5～20℃/min的升溫速率升溫至600～700℃并5～20min，然后以2～10℃/min的速率降至100～200℃。
11、本專利技術原理及有益效果為：
12、1、方鈷礦與電極之間的元素擴散主要是方鈷礦中的sb元素向電極中的擴散，本專利技術在方鈷礦和電極之間添加鈷基阻隔層后，由于鈷基阻隔層的成分為鈷和難熔金屬，難熔金屬熔點高、鍵能大、擴散激活能高，進而抑制了sb元素穿過阻隔層向電極中的擴散。
13、2、本專利技術中鈷基阻隔層的成分為鈷和難熔金屬，鈷的熱膨脹系數大于方鈷礦，難熔金屬的熱膨脹系數小于方鈷礦，鈷基阻隔層是粉末燒結而成的，因此能靈活地調整鈷基阻隔層成分，阻隔層的熱膨脹系數容易與方鈷礦相匹配。并且阻隔層粉末與方鈷礦粉末進行一體化熱壓燒結，粉末與粉末之間形成了參差交錯的界面；能很好地緩解界面應力。
14、現有的連接方鈷礦熱電材料和電極的方法中采用的como阻隔層為箔片，再將como箔片與方鈷礦粉末進行熱壓燒結，同時還采用將阻隔層的表面刻蝕溝槽實現毛化處理以避免應力集中和增加裂紋沿界面方向擴展的路徑。本專利技術將阻隔層粉末和方鈷礦粉末進行一體化熱壓燒結，可以直接得到低應力的阻隔層與方鈷礦的界面，省去了表面毛化處理的環節。在抑制sb元素擴散方面，由于como箔片是電弧熔煉工藝得到的，電弧熔煉工藝冷卻速度較快，所得como箔片的晶粒尺寸為幾十到幾百納米；而本專利技術的阻隔層的晶粒尺寸與粉末粒徑相當，即幾微米到幾十微米。故本專利技術的阻隔層含有更少的晶界，因為原子的晶界擴散速度遠高于晶內擴散，本專利技術的阻隔層因為含有更少的晶界所以能更好地抑制sb元素的擴散。
15、3、本專利技術能夠獲得可長期服役的高強度方鈷礦熱電器件，在長期服役性能方面，本專利技術首次以退火處理實驗結果的方式證實了長期服役的可行性。方鈷礦與鈷基阻隔層的界面反應厚度只有15μm，550℃退火10天后反應層厚度只增長到39μm。在強度方面，本專利技術得到的方鈷礦與電極的釬焊接頭的抗剪強度達到33.6mpa。
本文檔來自技高網...【技術保護點】
1.一種利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法，其特征在于：利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法按以下步驟進行：
2.根據權利要求1所述的利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法，其特征在于：步驟一所述球磨步驟為：將鈷粉、難熔金屬粉末、研磨球、無水乙醇裝入球磨罐，使無水乙醇剛好沒過粉末和研磨球，然后在大氣環境下球磨6～24h，球磨結束后放入干燥箱中干燥。
3.根據權利要求1所述的利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法，其特征在于：步驟二所述方鈷礦的化學式為RxCoyFe4-ySb12，R為堿金屬、堿土金屬、稀土金屬、第三主族元素中的一種或多種，0＜x≤1，0≤y≤4。
4.根據權利要求1所述的利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法，其特征在于：步驟二所述一體化熱壓燒結步驟中加熱速率為80～150℃/min，冷卻速率為5～50℃/min。
5.根據權利要求1所述的利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中
6.根據權利要求1所述的利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法，其特征在于：步驟三所述電極為金屬電極或合金電極。
7.根據權利要求6所述的利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法，其特征在于：所述金屬電極材質為Cu、Ni、Fe、Co或Cr。
8.根據權利要求6所述的利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法，其特征在于：所述合金電極為Cu基合金、Ni基合金、Fe基合金、Co基合金或Cr基合金。
9.根據權利要求6所述的利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法，其特征在于：所述Cu基合金為CuW或CuMo；Ni基合金為NiW、NiMo或NiCr；Fe基合金為FeW、FeMo、FeCr或FeCoNi；Co基合金為CoW、CoMo、CoCr、CoNi或CoFe；Cr基合金為CrW、CrMo、CrCoNi或CrFeNi。
10.根據權利要求1所述的利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法，其特征在于：步驟三所述打磨方法是用800～3000目砂紙逐級打磨；所述拋光方法是用粒徑為0.5～2.5μm的金剛石拋光劑在拋光布上拋光；所述清洗方法是用丙酮或無水乙醇沖洗，然后置于丙酮或無水乙醇中超聲清洗5～30min，最后風干。
...【技術特征摘要】
1.一種利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法，其特征在于：利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法按以下步驟進行：
2.根據權利要求1所述的利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法，其特征在于：步驟一所述球磨步驟為：將鈷粉、難熔金屬粉末、研磨球、無水乙醇裝入球磨罐，使無水乙醇剛好沒過粉末和研磨球，然后在大氣環境下球磨6～24h，球磨結束后放入干燥箱中干燥。
3.根據權利要求1所述的利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法，其特征在于：步驟二所述方鈷礦的化學式為rxcoyfe4-ysb12，r為堿金屬、堿土金屬、稀土金屬、第三主族元素中的一種或多種，0＜x≤1，0≤y≤4。
4.根據權利要求1所述的利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法，其特征在于：步驟二所述一體化熱壓燒結步驟中加熱速率為80～150℃/min，冷卻速率為5～50℃/min。
5.根據權利要求1所述的利用鈷基阻隔層提升方鈷礦熱電器件中釬焊接頭強度與長期服役性能的方法，其特征在于：步驟二所述阻隔層粉末的質量為方鈷礦粉末的5％～25％。
6.根據權利要求1所述的利用鈷基阻隔層提升方鈷...
【專利技術屬性】
技術研發人員：孫湛，郭俊，張麗霞，常青，張博，鄭一明，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：
還沒有人留言評論。發表了對其他瀏覽者有用的留言會獲得科技券。