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碲化铋是中低温区热电性能最好的热电材料之一,在热电制冷方面已得到了大量的开发。然而,其热电发电应用仍然受到诸多的限制。其主要原因在于商用区域熔炼制备的碲化铋的机械性能很差、热电转换效率低;热电发电期间需要将碲化铋热电材料与电极材料进行连接,而目前缺乏适用于中低温热电发电(250℃左右)长期服役的可靠的连接方法。针对以上问题,本课题首先制备了高性能N型碲化铋热电材料,然后提出了适用于低温热电发电(100℃左右)和中低温热电发电(250℃左右)的碲化铋与电极可靠连接的焊接方法。熔融旋淬作为一种快速凝固的方法,可向材料内部引入大量纳米晶。本课题首先采用区域熔炼定向凝固方法制备了柱状多晶Bi2Te2.7Se0.3。随后采用熔融旋淬制备了Bi2Te2.7Se0.3薄带。将薄带研磨成粉通过热压烧结成Bi2Te2.7Se0.3块体材料,并研究不同热压温度对于Bi2Te2.7Se0.3块体材料热电性能的影响。研究表明随着热压温度的升高,Bi2Te2.7Se0.3块体材料的热电性能先升高后降低。在热压温度430℃的工艺参数下获得最高热电优值为0.91。相比于区熔定向凝固Bi2Te2.7Se0.3,材料的晶格热导率降低了65%,热电优值提高了50%。表明熔融旋淬法结合热压烧结法可大幅度降低材料的晶格热导率,提高热电性能。采用SAC305钎料实现Bi2Te2.7Se0.3与Cu的直接钎焊连接,并研究260℃下保温时间对钎焊接头微观组织的影响,表明Sn元素与Bi2Te2.7Se0.3反应剧烈,钎焊接头无法在高于150℃的工作环境下长期可靠服役。随后制备了直径为10-14nm的纳米银颗粒并制备成纳米银焊膏,实现Bi2Te2.7Se0.3与Cu的连接。接头典型界面结构为Bi2Te2.7Se0.3/Ag Te+Agx Bi2Te2.7Se0.3/Ag(s,s)/Cu(s,s)/Cu。研究连接工艺参数对接头界面组织形貌和力学性能的影响。连接温度的提高和保温时间的延长均会显著促进母材与Ag的界面反应。界面反应过强,会导致接头组织疏松,产生明显裂纹。随着连接温度的升高和保温时间的延长,接头的室温抗剪强度呈现先增加后减小的变化趋势。当连接温度T=290℃,保温时间t=30min,压力P=10MPa时接头最优,抗剪强度达到4MPa。为进一步改善接头组织形貌,提高接头强度,课题在Bi2Te2.7Se0.3表面制备Ni镀层,并采用纳米银焊膏实现Bi2Te2.7Se0.3/Ni与Cu的连接。接头典型界面结构为Bi2Te2.7Se0.3/Ni Te/Ni/Ag(s,s)/Cu(s,s)/Cu。研究Ni镀层厚度、连接温度和保温时间对接头界面组织形貌和力学性能的影响。研究表明:镀层厚度过大将导致镀层与母材之间应力过大而产生裂纹。连接温度的提高和保温时间的延长均会促进Ni与Bi2Te2.7Se0.3反应,使Ni Te反应层厚度不断增加。随着连接温度的升高和保温时间的延长,接头的室温抗剪强度呈现先增加后稳定的变化趋势。当连接温度T=290℃,保温时间t=30min,压力P=10MPa时接头最优,抗剪强度达到7MPa,比无镀层连接时的强度提升了75%。