Экспериментальные исследования и разработка технологии изготовления термоэлементов для области температур 20 - 900°С

Проведена отработка режимов коммутации термоэлемента для диапазона температур 20 - 900ºС. Коммутация термоэлемента, состоящего из различных материалов, осуществлялась поэтапно в следующей последовательности: изготовление низко- и среднетемпературного сегмента, изготовление высокотемпературного сегмента, сборка термоэлемента для рабочего диапазона температур от комнатной до 900ºС. Окончательный состав секций для составного термоэлемента для области температур 20 - 600ºС выглядел следующим образом: Bi₂Te₂,₇Se₀,₃ - Bi₂Te₂,₈₅Se₀,₁₅ - PbTe₁₋ₓIₓ - Fe - Cu - Ag - Cu(n-тип); Bi₀,4Sb₁,6Te₃ - Bi₀,₂₇Sb₁,₇₃Te₃ - GeTe - SnTe - Cu - Ag - Cu (p-тип). Высокотемпературный сегмент был выполнен в виде отдельного каскада. Это позволило уменьшить потери в суммарный КПД из сильной рассогласованности его термоэлектрических характеристик со свойствами предыдущих секций. При этом число секций термоэлемента составило 5, что соответствует требованиям ТЗ. Состав секций составного термоэлемента для области температур 600 - 900ºС был следующим: графит - Ni - Mo - Si₀,₅₈Ge₀,₄₂ - Si₀,₈Ge₀,₂(P) - Si₀,₅₈Ge₀,₄₂ - Mo - Ni - графит (n-тип); графит - Ni - Mo - Si₀,₅₈Ge₀,₄₂ - Si₀,₈Ge₀,₂(B) - Si₀,₅₈Ge₀,₄₂ - Mo - Ni - графит (p-тип). Полная сборка термоэлемента осуществлялась соединением высокотемпературного сегмента со среднетемпературной частью посредством пасты из дисульфида молибдена, нанесенной на горячую сторону среднетемпературной части. Коммутацию высокотемпературного сегмента со среднетемпературным сегментированным термоэлементом осуществляли с помощью медных шин. Окончательно термоэлемент формировался посредством пайки с холодной стороны свинцовым припоем с использованием медных шин. С помощью теплопроводной пасты КПТ-8 термоэлемент присоединялся к керамической пластине на основе Al₂O₃. По разработанной технологической инструкции были изготовлены экспериментальные образцы термоэлементов. На экспериментальных образцах термоэлементов проведены исследовательские испытания. В ходе испытаний проводился визуальный осмотр термоэлемента, определялись высота и сечение термоэлемента, число секций ветви термоэлемента, его КПД и область рабочих температур, а также температура горячей стороны термоэлемента. Экспериментальные образцы выдержали испытания по всем пунктам программы и методики исследовательских испытаний. На полученных методом пайки составных ветвях были проведены исследования влияния термоциклирования на прочность пайки и измерения адгезии. Качество пайки проверяли по величине адгезии, которую измеряли методом отрыва. Получены удовлетворительные результаты в пределах 70 ÷ 100 кг/см². В ряде случаев наблюдался частичный отрыв по материалу. На этой стадии исследований обнаружилось, что результаты в значительной мере определяются качеством пайки. Кроме того, на материале p-типа проводимости среднестатистические значения адгезии были более стабильны, но не превышали 90 кг/см². В целом снижение показателей адгезии после термоциклирования было незначительным и составило около 5%.