基于纳米银膏低温烧结的高温高密度热电发电装置界面互联研究

发展汽车尾气废热回收的热电发电技术，对实现我国节能减排目标的实现具有重大意义。热电发电装置的转化效率不仅取决于热电材料的ZT值和热管理系统设计，而且装置互联界面的热电性能对转化效率具有重要影响。汽车尾气的典型温度范围要求热电装置能够在高温下长期工作，导致装置界面互联成为热电技术进步的瓶颈,而近年来出现的新型界面材料纳米银膏有望解决这一难题。本项目拟针对汽车尾气废热回收的高密度热电发电装置的界面互联，选用耐高温、低成本的高ZT值热电材料，开展热电单元与热沉的界面连接技术研究，包括热电材料和铜热沉的表面金属化、基于纳米银膏的大面积低温烧结工艺、银烧结接头界面热阻测量技术，并通过对热电材料和铜表面金属化薄膜、烧结银层及界面在高温下的物理失效机理，以及高温下界面银扩散及银迁移的运动学机理的研究，获得有低接触热阻、低接触电阻、耐高温性能、抗热冲击性能及杜绝银迁移能力的界面互联技术，并保证长期可靠性。

本项目针对汽车尾气废热回收宽温域热电发电装置的界面互联展开相关研究工作，基于机械化合金化（MA）与放电等离子烧结方法（SPS）进行工艺的优化，制备了高热电优值的低温和中高温热电材料，利用纳米银膏低温烧结技术实现了热电材料与铜电极以及热电材料相互间的良好连接，开展了烧结银接头界面热阻测量技术，提出了高温干燥环境下烧结纳米银电化学迁移的可能性机理，使用Ni，316不锈钢，W-Ti分别作为低、中、高温热电材料的扩散阻挡层，使用W-Ti作为铜电极的扩散阻挡层，时效实验证明扩散阻挡层能够对热电材料与纳米银膏连接层间的相互扩散和铜电极向纳米银的渗透行为起到很好的阻隔作用，通过对热电材料/铜电极界面热循环实验之后微观结构的观察表明使用纳米银膏连接的界面剪切强度满足可靠性需要，断裂主要发生于热电材料内部，与材料在高温下发生自扩散有关。建立并优化了300~800 K宽温域热电发电模型，基于最大输出功率和热电转化效率设计了模型的最佳尺寸。