Radioisotope Thermo-electric Generator的首字母縮寫，釋義為放射性同位素?zé)犭娛桨l(fā)電機。

一個有使用價值的溫差發(fā)電器是由幾對甚至幾十對以上的溫差電單體串聯(lián)、串并聯(lián)或并串聯(lián)組成。在整個發(fā)電器中要使單體、熱源、外殼三者間相互電絕緣，并且在由熱源、溫差電元件及附件—散熱器組成的熱路上有最小的熱阻。

通常，溫差發(fā)電器采用兩種結(jié)構(gòu)。一種是以熱源為中心，溫差電元件分列式輻射狀排列的結(jié)構(gòu)；另一種是將溫差電元件緊壓在熱源一側(cè)的平板結(jié)構(gòu)。前者采用一定結(jié)構(gòu)的冷端構(gòu)件以后，具有極高的抗沖擊振動能力，轉(zhuǎn)換效率較高，但成本也較高。后者安裝方便，成本較低，但熱量利用率也低些。

在這兩種發(fā)電器結(jié)構(gòu)中溫差電單體都可以采用分立元件或組合件的形式。所謂組合件就是將若干溫差電單體對緊湊地排列成一個陣列，溫差電元件之間電絕緣，并按一定工藝和方式焊上電極，成為一個整體，常稱為溫差發(fā)電組件。采用溫差發(fā)電組件后發(fā)電器結(jié)構(gòu)緊湊，裝配容易，提高了發(fā)電器的質(zhì)量比功率和熱電轉(zhuǎn)換效率，也增強了單體抗沖擊振動的能力。但要保證每對單體都有較小的接觸電阻，工藝上難度較大。

3.2.1分列元件式溫差電單體結(jié)構(gòu)

6-焊料片，7-冷帽，8-2N-PbTe，9-SnTe段，帽，10-硬焊片

SiGe溫差電單體采用結(jié)構(gòu)，如圖3所示。SiGe溫差電單體熱端用大面積集熱板（熱電極）相聯(lián)。冷端焊上冷電極后連接到帶陰螺紋的螺栓上。熱電極材料通常使用含95%Si的SiMo合金。冷電極材料一般使用鎢。SiGe溫差電偶和SiMo熱電極上有Si3N4涂層以減小SiGe升華。溫差電偶外面再繞上若干層SiO2纖維作電絕緣物。

3.2.2 溫差發(fā)電組件

溫差發(fā)電組件的結(jié)構(gòu)類似于常規(guī)的單級溫差電致冷組件，這種夾層結(jié)構(gòu)示于圖4。低溫溫差發(fā)電器較多采用碲化鉍溫差發(fā)電組件來組裝。

溫差發(fā)電組件內(nèi)若干對溫差電偶在電路上是串聯(lián)的，在熱路上是并聯(lián)的。溫差電元件一般呈矩形截面。碲化鉍溫差發(fā)電組件，通常采用銅制電極或鋁制電極連接P、N型元件。

高純氧化鋁陶瓷片上有金屬化互連電路。

3.2.3溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)

3.2.3.1 低溫溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)

許多碲化鉍溫差發(fā)電器采用了平板結(jié)構(gòu)，即將溫差電元件安裝在熱源一側(cè)。天使號放射性同位素溫差發(fā)電器（Angel- RTG）采用了這種結(jié)構(gòu)，見圖5。該發(fā)電器使用碲化鉍溫差電組件，熱面工作溫度約在200℃。

 
1-同位素?zé)嵩矗?-溫差電換能器，3-絕熱材料，

4-外殼，5-輸出接頭，6-密封接頭

圖5 Angel- RTG結(jié)構(gòu)示意圖

3.2.3.2中溫溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)

中溫溫差發(fā)電器，使用最多的是PbTe基溫差電材料，常用熱源中心型溫差電元件分列式溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)，其典型結(jié)構(gòu)示于圖6。這種發(fā)電器結(jié)構(gòu)已經(jīng)成功地用于Snap-3、Snap-19、Snap-27等放射性同位素溫差發(fā)電器中。其結(jié)構(gòu)特點是熱源置于發(fā)電器中心軸，溫差電元件分列式輻射狀排列在柱體狀熱源周圍。在電路上溫差電單體可以采用全部串聯(lián)、串并聯(lián)或并串聯(lián)的連接方式。用彈簧-活塞-調(diào)整扣組成冷端組合體，溫差電單體上加加彈簧壓力負(fù)載。內(nèi)部填充低熱導(dǎo)率的絕熱材料。發(fā)電器內(nèi)部充氬氣或混合惰性氣體（氪-氫或氦-氬混合氣）以抑制溫差電材料升華。

 
１－熱源，２－溫差電元件，３－傳熱軸，４－框架，５－外殼，６－散熱片

3.2.3.3 高溫溫差發(fā)電器的結(jié)構(gòu)

通用熱源放射性同位素溫差發(fā)電器（GPHS-RTG），是已經(jīng)成功地應(yīng)用于加利略、尤利西斯、卡西尼、新視野號等空間工程的高溫溫差發(fā)電器，它采用了熱源中心型溫差電元件分列式結(jié)構(gòu)，見圖7。該發(fā)電器采用了前面已經(jīng)介紹的可卸式鍺-硅溫差電單體。發(fā)電器結(jié)構(gòu)和安裝方式與PbTe中溫發(fā)電器有很大差別。發(fā)電器裝配時，將螺栓（已焊上SiGe溫差電偶）插入RTG外殼帶錐度的孔中，再用螺母將它擰緊在外殼上。最后溫差電單體以懸臂方式支撐在外殼上。因此這種結(jié)構(gòu)不需要彈簧壓緊式系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)較靈活，能拆卸。螺母上施加的力矩應(yīng)使螺栓略為變形，使螺栓和RTG外殼能緊密相配合，達到機械上牢固、熱流暢通的目的。發(fā)電器內(nèi)采用鉬箔和加鉬遮光石英紙交迭組成的多層箔絕熱材料。

 

圖7 GPHS-RTG的結(jié)構(gòu)

 
圖8 溫差發(fā)電器制造工藝流程

如果溫差發(fā)電器由溫差發(fā)電組件構(gòu)成，則單體對和單體條的焊接在溫差發(fā)電組件的集成過程中同時完成。

溫差電材料原則上可用通常的單晶體生長工藝來制備。但單晶體工藝需要精密的設(shè)備，操作復(fù)雜，成本較高。在實踐中溫差電材料往往采用多晶或定向多晶材料。通常，制備溫差電材料的方法是粉末冶金法以及區(qū)域熔煉法。用粉末冶金法制備的溫差電材料往往具有較低的熱導(dǎo)率、較高的機械強度，但是卻降低了電導(dǎo)率。相對而言，區(qū)域熔煉法可制備電導(dǎo)率較高的溫差電材料，但同時也提高了材料的熱導(dǎo)率。粉末冶金工藝，常規(guī)的有冷壓法和熱壓法，近年來又發(fā)展了機械合金法（MA）、粉碎混合燒結(jié)（PIES）法、擠壓法和放電等離子燒結(jié)法（SPS法）。通常，PbTe及SiGe合金用粉末冶金工藝制備，Bi2Te3及其合金用區(qū)域熔煉法，也可用熱壓工藝或擠壓工藝制備。下面僅介紹粉末冶金法和區(qū)融熔煉法制備溫差電材料的工藝。

3.3.1.1 配料和熔煉

配料和熔煉是所有材料制備工藝中的共有的工藝步驟。

溫差電材料的配比，能夠直接影響載流子濃度、遷移率、晶格參數(shù)、散射機制等物理量和狀態(tài)，最終影響材料的熱電性能，必須優(yōu)化。各組分極少量的偏離會對溫差電材料的熱電性能產(chǎn)生極大的影響。因此，配料前精確計算各組分的重量、配料時精密稱量是非常重要的。

熔煉的目的在于使各組分元素在高溫時充分化合，沒有組分的偏析或游離。

由于很多溫差電材料的蒸氣壓很高，某些元素很易氧化，在熔煉時某些元素特別容易從熔煉表面逸出，以致使材料偏離配方中的比例。因此，在熔煉過程中容器必須嚴(yán)格密封，或者將容器抽真空后充一定壓力的惰性氣體，以抑制組分的逸出。也可采用能產(chǎn)生還原性氣體的碳粉來保護。

熔煉的方法一般可采用高頻感應(yīng)熔煉、電阻爐熔煉等。

熔煉的工藝要素是熔煉溫度、保溫時間和冷卻方式。選擇的熔煉溫度可比化合物的熔點高30～50℃。保溫時間一般為30～190分鐘。最后要讓溶液迅速冷卻。

3.3.1.2 粉末冶金法

粉末粒度大小對壓制成型后的溫差電材料的熱電性能有一定的影響。如粒度太小，則粉末粒子互相間的接觸面積十分大，將增加材料的熱導(dǎo)率；反之，如粒度太大，則將減少材料的電導(dǎo)率。同時，粒度不均勻時，也會造成材料內(nèi)部熱電性質(zhì)不均勻和機械性能的不均勻性。

溫差電材料的粉碎一般采用機械粉碎法，經(jīng)常采用的是搗磨法或球磨法。

成型的目的是使材料成為具有一定形狀、尺寸和密度的型坯。加壓使粉末成型，通過壓力有可能使粒子內(nèi)的很多原子在原子引力所能及的范圍內(nèi)互相接觸，從而使粒子間產(chǎn)生粘附力；另外，根據(jù)粒子的形狀，在加壓中也有因滑動、轉(zhuǎn)動等原因，其粒子之間機械的相互咬合在一起而產(chǎn)生維持其形狀的力。也有時由于粒子表面相互摩擦，將粒子表面上的氧化膜或雜質(zhì)膜破壞，而出現(xiàn)清潔的粒子表面，使之容易粘附。為了得到好的溫差電元件，在壓制成型過程中必須使密度均勻分布。

壓制成型過程中所加壓力的大小，依粉末種類、形狀及各種條件而有很大差異。壓力過大，材料上易產(chǎn)生裂紋、傷痕和缺陷；壓力過小則使材料過于疏松，存在氣泡和缺陷。

制造溫差電元件時常用的粉末壓制成型方法有冷壓法和熱壓法。

封閉的剛性模具冷壓法也就是常稱的冷壓法。其方法是將粉末放入剛性模具中，通過模沖對粉末加壓，使其成型。

熔煉后的溫差電材料粉末在高溫下較柔軟，因此熱壓比冷壓可獲得較致密和機械強度好的材料。如適當(dāng)選擇壓力與溫度，熱壓方法可以同時進行成形與燒結(jié)兩道工序。

通常，熱壓必須在還原或惰性氣氛中進行。一般多用

對粉末壓制的溫差電元件進行燒結(jié)的目的是：使溫差電材料的晶粒細(xì)化，提高強度、韌性和塑性；消除應(yīng)力；消除或減少材料組分和結(jié)構(gòu)的不均勻性；改善材料的溫差電性能。

3.3.1.4 區(qū)融熔煉工藝

使用區(qū)域熔煉法（簡稱區(qū)熔法）可以制備Bi2Te3及其合金的定向多晶材料。由于其晶粒有明顯的取向性，通常區(qū)域熔煉法制備材料的優(yōu)值比粉末冶金法高。

區(qū)熔法生長晶體，是借助于高頻感應(yīng)線圈加熱或普通電阻加熱，使材料在一個狹窄的區(qū)域內(nèi)熔化，然后令熔區(qū)自下而上（或自左而右）地通過豎直（或水平）放置的粗材料進行提純和結(jié)晶。該過程可以在真空內(nèi)進行，也可以在一定還原氣氛下進行。圖11 是區(qū)域熔煉法示意圖。

1-熔融界面，2-固化界面，3-生長的晶體，4-粗晶錠，5-安瓿移動方向，6-爐子，7-熔區(qū)，8-安瓿移動方向

為了獲得定向較好的多晶體，在區(qū)熔過程中，首先要求高溫區(qū)的溫度高于晶體的熔點，使待區(qū)熔晶棒得以充分熔解，但必須避免熔體組分的大量揮發(fā)；而低溫區(qū)的溫度應(yīng)低于晶體的熔點，但不能太低，避免晶體炸裂或產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力。其次在熔體生長過程中，應(yīng)盡量避免或減少組分過冷現(xiàn)象發(fā)生。理論分析表明，發(fā)生組分過冷的臨界條件為

式中，G為熔體界面處的溫度梯度，V為熔區(qū)移動速率， C0為熔體中主要雜質(zhì)平均濃度，m為液相線斜率，k0為雜質(zhì)的分凝系數(shù)，D為雜質(zhì)在熔體中的擴散系數(shù)。公式中，G和V是可以調(diào)節(jié)的工藝參量，m、c0、k0和D是晶體生長系統(tǒng)的物理參量。實踐表明，在保證晶體不發(fā)生解理的前提下，采用適當(dāng)大的溫度梯度、相對小的生長速度，對避免或延遲組分過冷的出現(xiàn)是有利的。

3.3.2 單體連接

溫差電單體的連接質(zhì)量將決定溫差電池的內(nèi)阻和壽命，是影響溫差電池質(zhì)量的關(guān)鍵工藝。溫差電單體連接工藝有焊接法、壓力接觸法等，常用焊接法。

電極材料、焊料中的雜質(zhì)擴散入溫差電材料中會使溫差電材料的熱電性能快速衰減。另外，如電極材料和溫差電材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，在長期熱循環(huán)過程中會引起接頭脫落，降低溫差發(fā)電器的壽命。因此，溫差電元件與電極之間常進行表面處理，鍍覆膨脹系數(shù)匹配、熱穩(wěn)定性好的過渡層壁壘。

可用來焊接溫差電單體的方法有：1）火焰焊接；2）烙鐵焊接；3）爐中焊接；4）感應(yīng)焊接等。

采用焊接工藝連接溫差電單體時，焊料成份、熔點、機械強度和焊接層所形成的接觸電阻等都是直接影響溫差發(fā)電器性能的重要因素。優(yōu)化焊料、焊劑、焊接溫度、氣體保護壓力等焊接工藝條件，是降低溫差電單體的接觸電阻，制成高性能溫差發(fā)電器的關(guān)鍵。

爐中焊接是利用加熱爐的熱量加熱工件的一種焊接方法。溫差電單體焊接中常用電爐加熱。爐中焊接法加熱比較均勻，被焊工件變形小，能較好的保證設(shè)計的接頭形狀和尺寸公差。

溫差電單體常在充滿還原性氣氛的焊接爐中進行焊接。還原性氣氛防止了焊接時空氣的入侵，同時能還原工件表面原有的氧化膜和新形成的氧化產(chǎn)物。惰性氣氛爐中焊接時通常采用的惰性氣體是氬，也有用氦。其作用是降低氧分壓強。

焊接規(guī)范主要有升溫速度、焊接溫度、保溫時間及降溫速度等。

（2）焊接溫度   釬焊焊接溫度一般高于焊料熔點25～30℃。提高溫度能減少熔化焊料的表面張力，因此改善浸潤性，使焊料與焊件之間的作用加強。但溫度過高會產(chǎn)生過燒和溶蝕等缺陷。

（5）焊接壓力   壓力愈大、溫度愈高，溫差電元件域電極緊密接觸的面積也愈多。因此，在加壓變形階段，一定要設(shè)法使絕大部分表面達到緊密接觸。為了防止連接構(gòu)件產(chǎn)生過度塑性變形和蠕變以實現(xiàn)精密連接，有時僅在焊接開始時施加壓力，或短時間提高溫度以促進塑性變形。

3.3.3 溫差發(fā)電組件的集成

常規(guī)溫差發(fā)電組件的冷面和熱面外側(cè)是兩片高純氧化鋁Al2O3陶瓷片，焊接在溫差發(fā)電組件的冷面和熱面與外界耦合。制作金屬化陶瓷片的傳統(tǒng)工藝方法是采用先印刷鉬錳漿然后燒結(jié)的方法制備金屬化層，在陶瓷片上制作金屬化互連電路。溫差電組件集成前預(yù)先將電極焊接在陶瓷片相應(yīng)位置金屬化層上。近年來，開發(fā)了敷銅板（DBP）工藝直接將銅電極燒結(jié)在陶瓷片上。溫差電組件的集成應(yīng)當(dāng)同時保證所有接頭具有一致和較低的接觸電阻。

 
圖12 溫差發(fā)電組件集成的工藝流程

3.3.4 溫差發(fā)電器的集成

溫差發(fā)電器是由幾十或數(shù)百對溫差電單體（或者幾個或數(shù)十個溫差發(fā)電組件）串聯(lián)或并聯(lián)組成的，在整個發(fā)電器中，要使溫差電單體（或溫差發(fā)電組件）、熱源盒、外殼三者間相互絕緣，并且使由熱源、溫差電元件及附件、散熱器組成的熱路上熱阻最小。溫差發(fā)電器的集成是高精度的裝配過程。

溫差發(fā)電器內(nèi)的工作氣氛必須很干凈。氧、水分及其它腐蝕性成分和有害雜質(zhì)的存在，都會引起溫差電材料“中毒”、接頭變質(zhì)，加速發(fā)電器性能的衰降。有些溫差電材料，如碲化鉛、TAGS等，在高溫時嚴(yán)重氧化和升華，因此，溫差電發(fā)電器裝配完畢、密封后，要在室溫和烘烤狀態(tài)下抽氣，以除去水分、氧氣。PbTe溫差發(fā)電器則要充一定壓力的惰性氣體，并密封封裝。SiGe溫差發(fā)電器內(nèi)部可以是真空狀態(tài)。

溫差發(fā)電器的主要性能參數(shù)包括：開路電壓、輸出電功率、效率、功率衰減率、重量、體積、重量比功率和可靠性等等。

載《化學(xué)和物理電源》（第二版），現(xiàn)代電子和信息技術(shù)叢書之一，汪繼強主編，第十八章：溫差發(fā)電器，國防工業(yè)出版社，2008年。