thesis

Etude des propriétés mécaniques et thermoélectriques des matériaux Ca3Co4O9 texturés pour la conversion d’énergie

Defense date:

Jan. 1, 2010

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Institution:

Caen

Disciplines:

Materials chemistry

Authors:

Directors:

Abstract EN:

Ca3Co4O9 thermoelectric (TE) oxide is very promising for energy conversion applications because of its good TE properties, chemical and thermal stabilities in air at high temperature and the absence of bio-toxicity of its elements. A comparative study of the respective merits of consolidation processes (conventional sintering-CS, hot pressing-HP and spark plasma sintering - SPS) has been undertaken to determine the experimental conditions for obtaining Ca3Co4O9 ceramics with optimal TE characteristics and good reliability in order to be integrated in TE devices. Using the HP process, the optimal conditions (920°C, 30 MPa, 24 h) allowed to elaborate dense (96% of theoretical density) and strongly textured materials, with a maximum of the {001} poles of 22 mrd and significant grain growth in-planes. It results a low electrical resistivity ab (5. 25 m. Cm at 900 K) and consequently a remarkable power factor PFab (595 µW. M-1. K-2). The mechanical characteristics were drastically enhanced in comparison with the reference ceramics (CS). Denser ceramics (99. 6 %) were elaborated in very short time by SPS, but with a weak texture. PFab is lower than that obtained by HP. However, themechanical properties are higher. On the other hand, Ca3Co4O9 thick multilayer materials were elaborated and the obtained TE show anisotropic properties. The resistivity anisotropy c/ab is 13. 5 in the 0-350 K range, but decreases beyond 350 K to 8. 8 at 900 K. The anisotropy ratio PFab/PFc is 12 at 900 K. The thermal conductivity abis higher than c. The figure of merit is higher in-planes, with. ZTab = 0. 16 at 900 K and (ZTab/ ZTc) = 4. 6.

Abstract FR:

L’oxyde thermoélectrique (TE) Ca3Co4O9 se place avantageusement pour les applications de conversion d’énergie en raison de ses bonnes propriétés TE, ses stabilités chimique et thermique à l’air à haute température et l’absence de biotoxicité. Une étude comparative des apports respectifs de procédés de consolidation (frittage conventionnel-CS, pressage à chaud-HP et frittage flash-SPS) a été menée pour déterminer les conditions expérimentales d’obtention de céramiques Ca3Co4O9 aux caractéristiques TE et fiabilité optimisées pour être intégrées dans des dispositifs TE. Par le procédé HP, les conditions optimales (920°C, 30 MPa, 24 h) ont permis d’élaborer des matériaux denses (96 %) et fortement texturés, avec un maxima de pôles {001} de 22 mrd et une croissance notable des grains dans les plans (a,b). Il en découle une faible résistivité ab (5. 25 m. Cm à 900 K) et donc un facteur de puissance PFab remarquable (595 µW. M-1. K-2). Les caractéristiques mécaniques sont considérablement améliorées en comparaison avec la céramique CS. Des céramiques plus denses (99. 6 %) ont été élaborées dans des temps très courts par SPS, mais avec une faible texture. PFab est plus faible que celui obtenu par HP. Les propriétés mécaniques sont toutefois meilleures. D’autre part, des matériaux Ca3Co4O9 multicouches ont été élaborés et les propriétés TE obtenues sont anisotropes. L’anisotropie de la résistivité c/ab vaut 13. 5 dans la plage 0-350 K, mais diminue au-delà de 350 K et avoisine 8. 8 à 900 K. L’anisotropie PFab/PFc vaut 12 à 900 K. La conductivité thermique abest plus élevée que c. Le facteur de mérite est plus élevé dans les plans (a,b), avec ZTab = 0. 16 à 900 K et (ZTab/ ZTc) = 4. 6.