CN114497339A - 一种用于空间堆温差电源的SiGe热电器件其制备 - Google Patents

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杨永潘
王俊伟
迮仁德
张迎增
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向清沛
马明阳
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Abstract

本发明公开了一种用于空间堆温差电源的SiGe热电器件及其制备，所述热电器件呈三明治结构，包括：处于热电器件外层平行设置的绝缘板，位于绝缘板内侧平行设置的导电层，位于导电层内侧平行设置的过渡层，以及处于两层过渡层之间的多个电偶臂和位于电偶臂之间的隔热层；所述方法利用扩散焊方法进行电偶臂和电极石墨层的焊接。本发明提供的SiGe热电器件能够耐受高温环境，并且结构紧凑，该制备方法利用扩散焊焊接方法将两端电极和电偶材料进行连接，保证了制备的热电器件冷热端都有较高的使用温度，本发明提供的SiGe热电器件可用于空间堆温差电源。

Description

一种用于空间堆温差电源的SiGe热电器件其制备
技术领域
本发明属于温差电器件领域，尤其涉及一种用于空间堆温差电源的SiGe热电器件及其制备。
背景技术
在深空探测任务中，空间堆温差电源由于具有环境适应性强、无振动和寿命长等优势成为深空探测器的理想电源之一。热电器件是一种利用Seebeck效应将反应堆产出、热管传导的热能转换为电能的能量转换器件，具有静态、无振动、不需维护、可靠性高和寿命长等优点，是空间堆温差电源的核心部件。由于空间堆温差电源的温度较高，因此用于空间堆温差电源的热电器件也须为高温热电器件，要求热电器件与空间堆温差电源热管接触的热端温度耐受高达800℃～1000℃，冷端温度也要达到400℃以上。
SiGe热电器件是现有的技术成熟度最高，性能最优异的高温热电器件之一，虽然其材料可适用于1000℃的高温，但其器件制备工艺影响了其SiGe材料及电极之间界面的热稳定性和器件的使用温度。目前SiGe热电器件的主要制备方法包括：直接钎焊电极法、热端扩散焊-冷端钎焊法、或者在SiGe表面制备过渡层后再钎焊电极的方法，这些方法中通过直接钎焊电极方法制备的SiGe热电器件，其冷、热端的适用温度均低于800℃，显然不适用于空间堆温差电源，假若其长期服役于空间堆温差电源，则该器件会发生严重的界面反应而导致电极与SiGe脱焊断裂；通过热端扩散焊-冷端钎焊的方法制备SiGe热电器件，存在工序复杂，结构不紧凑，冷端适用温度较低的问题，同样不适用于空间堆温差电源；采用在SiGe表面制备过渡层后再钎焊电极的方法制备SiGe热电器件，则制备的热电器件的界面成分复杂，热稳定性待验证，电偶臂之间需要额外填补隔热材料，器件结构不紧凑，显然上述方法制备的热电器件的由于高温热稳定性不理想或结构不紧凑，不能用于1000℃左右的空间堆温差电源，或者存在改进空间。
因此，亟需一种新的用于空间堆温差电源的SiGe热电器件及其制备方法，通过该方法制备的SiGe热电器件结构紧凑、高温适应性强，可用于空间堆温差电源。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于空间堆温差电源的SiGe热电器件及其制备方法，通过该方法制备的SiGe热电器件结构紧凑、高温适应性强，可用于空间堆温差电源。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种用于空间堆温差电源的SiGe热电器件，所述热电器件呈三明治结构，包括：处于热电器件最外层平行设置的两层绝缘板，位于绝缘板内侧平行设置的两层导电层，位于导电层内侧平行设置的两层过渡层，以及处于两层过渡层之间的多个电偶臂和位于电偶臂之间的隔热层；
所述导电层的材料为钨，过渡层的材料为石墨，所述导电层和过渡层连接组成了热电器件的电极，所述电极由多个不连续的电极块组成；
所述电偶臂包括P型电偶臂和N型电偶臂，P型电偶臂和N型电偶臂间隔排列，相邻电偶臂之间填充隔热层，所述电偶臂材料为SiGe；
处于电偶臂两端的每个电极块均连接一组由P型电偶臂和N型电偶臂组成的电偶对，且处电偶臂一端的电极块与处于电偶臂另一端与其相对的电极错开一个电偶臂排列。
优选的，所述热电器件包括至少两对由P型电偶臂和N型电偶臂组成的电偶对。
优选的，所述绝缘板为氮化铝。
优选的，所述隔热层为无机胶。
一种用于空间堆温差电源的SiGe热电器件的制备方法，所述方法包括：
S1：制备钨导电层和石墨过渡层组成的电极，利用模具将钨导电层和石墨过渡层连接成一体；
S2：利用无机胶粘接SiGe电偶臂，其中P型电偶臂和N型电偶臂间隔排列，相邻电偶臂之间填充无机胶隔热层，形成SiGe电偶臂阵列；
S3：采用扩散焊方法将2片由钨导电层和石墨过渡层连接形成的电极与SiGe电偶臂阵列的两端分别焊接；
S4：将SiGe电偶臂阵列两端连接的电极进行切割，切割为电极块，任意一个电极块连接一个P型电偶臂和一个N型电偶臂组成的电偶对；
S5：在钨导电层外表面粘接绝缘板，形成SiGe器件。
优选的，所述步骤S1中制备钨导电层和石墨过渡层时，两层之间加入镍粉。
优选的，所述步骤S3中，扩散焊方法采用的温度为1100℃～1300℃，压力为10～25MPa，时间为10～30分钟。
优选的，所述步骤S4中进行电极切割所用的方法为线切割。
本发明的有益效果是：本发明提供的用于空间堆温差电源的SiGe热电器件的制备方法，该热电器件的热端和冷端都能够耐受高温环境，并且结构紧凑，该制备方法将电偶材料与热端电极和冷端电极同时用扩散焊焊接方法进行连接，保证了制备的热电器件适用于较高的温度。本发明提供的SiGe热电器件可用于空间堆温差电源。
附图说明
图1为本发明实施例中用于空间堆温差电源的SiGe热电器件的结构示意图；
图2为本发明实施例中制备的用于空间堆温差电源的SiGe热电器件的性能曲线；
图中：1.绝缘板 2.导电层 3.过渡层 4.P型电偶臂 5.N型电偶臂 6.隔热层。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
作为一个实施例，如图1所示的用于空间堆温差电源的SiGe热电器件，所述热电器件呈三明治结构，包括：处于热电器件外层平行设置的两层绝缘板1，位于绝缘板1内侧平行设置的两层导电层2，位于导电层2内侧平行设置的两层过渡层3，以及夹在两层过渡层3之间的多个电偶臂和位于电偶臂之间的隔热层6；
上述导电层2和过渡层3连接为一体，且导电层2的材料为钨，过渡层3的材料为石墨，导电层2和过渡层3组成了热电器件的电极，该电极切割为多个不连续的电极块；
所述电偶臂包括P型电偶臂4和N型电偶臂5，P型电偶臂4和N型电偶臂5间隔排列，相邻电偶臂之间填充隔热层6，所述电偶臂材料为SiGe，隔热层6为无机胶，起到力学支撑、隔热、电绝缘的作用，处于电偶臂两端的每个电极块均连接一组由P型电偶臂4和N型电偶臂5组成的电偶对，且处电偶臂一端的电极块与其相对的电极错开一个电偶臂排列，如图1所示所有电偶臂与电极为连接的折叠条状；
上述热电器件包括至少两对由P型电偶臂和N型电偶臂组成的电偶对。
上述绝缘板1的材料为氮化铝。
一种用于空间堆温差电源的SiGe热电器件的制备方法，所述方法包括：
S1：制备钨导电层和石墨过渡层组成的电极，利用模具将钨导电层和石墨过渡层连接为一体；
S2：利用无机胶粘接SiGe电偶臂，其中P型电偶臂和N型电偶臂间隔排列，相邻电偶臂之间填的无机胶固化后成为隔热层，形成SiGe电偶臂阵列；
S3：采用扩散焊方法将钨导电层和石墨过渡层连接形成的电极与SiGe电偶臂阵列的两端分别焊接；
具体过程为：将电极、SiGe热电偶臂阵列、电极从下至上摆放在模具中，放置在扩散焊炉中加热加压，使SiGe电偶臂与电极连接，扩散焊温度为1100℃～1300℃，压力为10～25MPa，时间为10～30分钟；
S4：将SiGe电偶臂阵列两端连接的电极进行切割，切割为电极块，任意一个电极块连接一个P型电偶臂和一个N型电偶臂组成的电偶对，切割方法可选择线切割法；
S5：在钨导电层外表面粘接绝缘板，形成SiGe器件。
实施例
下面以包括3对SiGe热电偶臂，内部为一路串联电路的热电器件为例，对本发明的具体实施方式进行具体描述：
(1)制备钨/石墨电极，钨片的尺寸为10mm×15mm×0.5mm，石墨片的尺寸为10mm×15mm×2mm，将钨片、镍粉、石墨片从下至上放置在石墨模具中，在真空热压烧结炉中1400℃、20MPa烧结20分钟，制得钨/石墨电极；
(2)将3片N型SiGe电偶臂与3片P型SiGe电偶臂按照N-SiGe/P-SiGe/N-SiGe/P-SiGe/N-SiGe/P-SiGe的顺序进行交替排布，每两片电偶臂之间使用耐高温无机胶粘剂粘接，形成SiGe电偶臂阵列，电偶臂的尺寸为厚度2mm、宽10mm、高度8mm，电偶臂间隙为0.5mm；
(3)将钨/石墨电极、SiGe电偶臂阵列、钨/石墨电极由下至上依次摆放于石墨模具中，其中电极中石墨一面与SiGe阵列上下表面接触，在真空热压烧结炉中，1200℃、20MPa压接20min，将电极与SiGe连接，形成钨/石墨电极-SiGe电偶臂阵列-钨/石墨电极的组合体；
(4)对于上一步焊接后的钨/石墨电极-SiGe电偶臂阵列-钨/石墨电极组合体，使用线切割机切割热端电极和冷端电极，使器件中形成设计电路；
(5)使用耐高温无机胶粘剂在电极表面粘接氮化铝绝缘板。
本实施例中制备出的SiGe热电器件，热端温度800℃，冷端温度300℃时，输出电功率约为1.2W@3A，如图2所示。在927℃热处理300小时前后，器件内阻均为46mΩ，未变化。

Claims (8)

1.一种用于空间堆温差电源的SiGe热电器件，其特征在于，所述热电器件呈三明治结构，包括：处于热电器件最外层平行设置的两层绝缘板，位于绝缘板内侧平行设置的两层导电层，位于导电层内侧平行设置的两层过渡层，以及处于两层过渡层之间的多个电偶臂和位于电偶臂之间的隔热层；
所述导电层的材料为钨，过渡层的材料为石墨，所述导电层和过渡层连接组成了热电器件的电极，所述电极由多个不连续的电极块组成；
所述电偶臂包括P型电偶臂和N型电偶臂，P型电偶臂和N型电偶臂间隔排列，相邻电偶臂之间填充隔热层，所述电偶臂材料为SiGe；
处于电偶臂两端的每个电极块均连接一组由P型电偶臂和N型电偶臂组成的电偶对，且处电偶臂一端的电极块与处于电偶臂另一端与其相对的电极错开一个电偶臂排列。
2.根据权利要求1所述的用于空间堆温差电源的SiGe热电器件，其特征在于，所述热电器件包括至少两对由P型电偶臂和N型电偶臂组成的电偶对。
3.根据权利要求1所述的用于空间堆温差电源的SiGe热电器件，其特征在于，所述绝缘板为氮化铝。
4.根据权利要求1所述的用于空间堆温差电源的SiGe热电器件，其特征在于，所述隔热层为无机胶。
5.一种如权利要求1～4中任意一项所述的用于空间堆温差电源的SiGe热电器件的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
S1：制备钨导电层和石墨过渡层组成的电极，利用模具将钨导电层和石墨过渡层连接成一体；
S2：利用无机胶粘接SiGe电偶臂，其中P型电偶臂和N型电偶臂间隔排列，相邻电偶臂之间填充无机胶隔热层，形成SiGe电偶臂阵列；
S3：采用扩散焊方法将2片由钨导电层和石墨过渡层连接形成的电极与SiGe电偶臂阵列的两端分别焊接；
S4：将SiGe电偶臂阵列两端连接的电极进行切割，切割为电极块，任意一个电极块连接一个P型电偶臂和一个N型电偶臂组成的电偶对；
S5：在钨导电层外表面粘接绝缘板，形成SiGe器件。
6.根据权利要求5所述的用于空间堆温差电源的SiGe热电器件的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中制备钨导电层和石墨过渡层时，两层之间加入镍粉。
7.根据权利要求5所述的用于空间堆温差电源的SiGe热电器件的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，扩散焊方法采用的温度为1100℃～1300℃，压力为10～25MPa，时间为10～30分钟。
8.根据权利要求5所述的用于空间堆温差电源的SiGe热电器件的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中进行电极切割所用的方法为线切割。
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