Bi-Co-Sb三元体系相平衡与界面反应机制研究及其在高温焊接与热电材料中的应用

本文通过实验测定与CALPHAD（计算机耦合相图与热力学）建模，揭示了Bi-Co-Sb体系在500oC和600oC的等温截面相图，发现体系中无三元化合物，存在(Co+CoSb+Liquid)等四个三相区。(Bi,Sb)/Co界面反应研究表明，反应路径为Co/CoSb/CoSb2/CoSb3/Liquid，且500oC下反应速率反常高于600oC，为高温焊接与热电模块开发提供理论依据。

　　

Highlight
Bi-Co-Sb体系在500^oC和600^oC的相平衡研究表明，该体系无三元化合物，仅存在四个三相区：(1) 钴(Co)+钴锑化合物(CoSb)+液态(Liquid)；(2) CoSb+二锑化钴(CoSb₂)+Liquid；(3) 三锑化钴(CoSb₃)+CoSb₂+Liquid；(4) CoSb₃+CoSb₂+Liquid。CALPHAD计算与实验结果高度吻合，液相投影显示富铋区存在显著混溶隙。

实验观察
(Bi,Sb)/Co界面反应中，锑(Sb)是主导扩散元素。反应初期仅生成CoSb，随时间延长依次形成CoSb₂和CoSb₃层，反应路径为Co/CoSb/CoSb₂/CoSb₃/贫锑液态区/(Bi,Sb)合金。有趣的是，500^oC下的反应速率竟比600^oC更快，这一反常现象通过扩散动力学机制得到解释。

结论
本研究不仅建立了Bi-Co-Sb体系的可靠热力学数据库，还揭示了界面反应层生长的"低温加速效应"，为热电模块封装和高温无铅焊料设计提供了关键数据支持。