服役条件下方钴矿基热电元件的界面应力分析

摘要： 热电器件中, 界面可靠性是影响整体稳定和功率输出的关键因素。对于方钴矿(SKD)器件, 热电臂和电极通过扩散阻挡层(DBL)连接。在高温下, DBL与SKD、电极之间会发生反应并生成复杂的界面结构, 导致界面附近的热、电、力学性能发生变化。本研究根据实际界面结构建立了包含微观结构的有限元模型, 并将其用于分析方钴矿基元件的界面应力状态。采用单层模型对DBL材料参数进行了筛选, 发现热膨胀系数(CTE)和弹性模量(E)对第一主应力有显著影响。采用包含界面微结构的多层模型定量模拟了不同老化温度、时间下元件内部的应力分布, 结果表明在SKD/Zr和SKD/Nb中, CoSb2反应层最为薄弱, 随着老化时间的延长, 反应层的厚度增加, 界面应力变大。同时, 元件的拉伸试验结果与计算结果吻合较好, 验证了模型的准确性与可行性。本研究为提升SKD/DBL元件的结构稳定性提供了指导, 同时也为精确模拟多层结构中的应力状态提供了研究思路。