方钴矿热电材料与器件用封装保护涂层的制备及性能研究.docxVIP

方钴矿热电材料与器件用封装保护涂层的制备及性能研究

摘要

本研究针对方钴矿热电材料在实际应用中面临的易氧化、元素挥发等问题，致力于开发一种有效的封装保护涂层。通过溶液旋涂、喷涂等方法，以不同聚合物为原料成功制备了封装保护涂层，并对涂层的成膜性、表面形貌进行了详细表征。热重分析、差示扫描量热法等测试手段表明，所制备的涂层显著提升了方钴矿材料的热稳定性、氧化稳定性及抗水性。自行设计的实验系统进一步验证了涂层在不同温度、湿度、氧气气氛下对方钴矿材料性能的保护效果，为方钴矿热电材料在能量转换和散热等领域的广泛应用提供了坚实的技术支撑。

关键词

方钴矿热电材料；封装保护涂层；性能研究；热稳定性；氧化稳定性

一、引言

1.1研究背景

随着电子和信息技术的迅猛发展，对高性能热电材料的需求日益增长。方钴矿作为一种重要的热电材料，凭借其独特的热电性能，在能量转换和散热等方面展现出广阔的应用前景。在工业余废热回收领域，方钴矿热电器件能够将废弃的热能转化为电能，实现能源的再利用，降低工业生产的能耗。在深空探测中，其稳定的热电性能可为探测器提供持续可靠的能源供应。然而，方钴矿材料存在温度稳定性差的固有缺陷，在高温环境下，其内部原子的活性增强，容易引发一系列化学反应。同时，极易受到氧、水和其他腐蚀物质的侵蚀和氧化，导致材料的结构和性能发生劣化。当方钴矿材料暴露在潮湿的空气中时，水分子和氧气分子会与材料表面发生化学反应，形成氧化物和氢氧化物，这些产物会破坏材料的晶体结构，阻碍电子的传输，进而降低材料的热电性能。因此，其应用场合受到了极大的限制。为了突破这一应用瓶颈，研究开发一种有效的封装保护涂层成为当务之急。该涂层能够像一层坚固的盾牌，保护方钴矿材料免受各种腐蚀因素的影响，显著提高其使用寿命和稳定性，从而推动方钴矿材料在实际应用中的广泛普及。

1.2国内外研究现状

在国外，美国喷气动力实验室的Τ.Caillat等对CoSb3基热电臂采用磁控溅射的方法在其高温端沉积Mo涂层，然而由于Mo涂层具有比方钴矿热电材料高的电导率和热导率，从而在Mo层上产生了大量的电分流和热分流，降低了热电器件的转换效率，且Mo的热膨胀系数大大低于方钴矿基热电材料的热膨胀系数，在长期高温条件下容易剥落。美国的Jeffrey等人曾尝试采用等离子喷涂的方法在N型CoSb3材料上喷涂了一层MgAl2O4涂层（尖晶石）和Fe2SiO4涂层，虽然在850K真空条件下工作1周时间内界面结合良好，但由于等离子喷涂形成涂层时的温度过高，超过了CoSb3材料本身的挥发温度，从而降低了热电材料本身的热电性能，且等离子喷涂形成的防护涂层致密度不高，涂层存在的孔隙有可能成为材料中Sb原子的挥发“短路”通道。

国内方面，济南大学的赵德刚团队在方钴矿热电材料防护涂层研究方面取得了一定进展。他们采用电子束物理气相沉积（EB-PVD）方法在方钴矿表面沉积致密的YSZ（Y2O3稳定的ZrO2）等轴晶涂层，研究了服役条件和加速实验下方钴矿热电材料中的Sb原子的扩散动力学以及YSZ涂层界面的阻扩散机制。但该方法设备昂贵，工艺复杂，不利于大规模生产。目前，国内外对于方钴矿热电材料封装保护涂层的研究仍处于不断探索和完善的阶段，亟需开发一种制备工艺简单、成本低廉且防护性能优异的涂层。

1.3研究目的与意义

本研究旨在制备一种高效的方钴矿热电材料与器件用封装保护涂层，并对其性能进行深入研究。通过解决方钴矿材料易受侵蚀和氧化的问题，提高其在实际应用中的可靠性和稳定性，为方钴矿材料在能量转换和散热等领域的广泛应用提供强有力的技术支持和保障。从科学研究角度来看，深入探究涂层与方钴矿材料之间的相互作用机制，能够丰富热电材料防护领域的理论体系。在实际应用方面，成功开发的防护涂层将有助于推动方钴矿热电器件在工业余热回收、新能源汽车热管理等领域的商业化应用进程，具有重要的科学研究价值和实际应用意义。

二、实验部分

2.1实验材料

本实验选用纯度为99.9%的方钴矿粉体作为基体材料，其化学组成符合CoSb3的化学计量比。为了制备封装保护涂层，选取了聚酰亚胺、环氧树脂两种聚合物作为主要原料。聚酰亚胺具有优异的耐高温性能和机械性能，其玻璃化转变温度高达300℃以上，能够在高温环境下保持稳定的结构和性能。环氧树脂则具有良好的粘结性和耐化学腐蚀性，能够与方钴矿基体表面形成牢固的化学键合。同时，还准备了N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、丙酮等有机溶剂，用于溶解聚合物，调节涂层溶液的粘度和流动性。为了改善涂层的性能，添加了纳米二氧化钛（TiO2）、纳米氧化铝（Al2O3）等无机填料。纳米TiO2具有良好的光催化性能和紫外线屏蔽性能，能够增强涂层的