Skutterudites thermoélectriques nanostructurées

par Mohamed Seghir Benyahia

Thèse de doctorat en Sciences des Matériaux

Sous la direction de Eric Alleno.

Le président du jury était Bertrand Lenoir.

Le jury était composé de Eric Alleno, Michel Latroche.

Les rapporteurs étaient Sylvie Hébert, David Bérardan.


  • Résumé

    Les matériaux thermoélectriques (TE) offrent la possibilité de convertir directement un flux de chaleur en courant électrique pour recycler la chaleur perdue, par exemple par nos automobiles. Les skutterudites AyFe4-xCoxSb12, (A = Ce, Yb, …, 0 ≤ y < 1; x < 4) sont déjà de bons matériaux thermoélectriques dans le domaine de température 400–800K. Pour améliorer le coefficient Seebeck, des nano-inclusions de InSb ou GaSb (~50 nm) ont été générées à l’étape de frittage flash dans Ce0,3Fe1,5Co2,5Sb12 de type p. Elles n’ont pas eu l’effet escompté de filtrage en énergie des trous mais ont conduit à l’insertion de ~ 0,1 mol d’indium ou de gallium dans Ce0,3Fe1,5Co2,5Sb12 et à un facteur de mérite TE amélioré ZTmax = 0,7 (+ 20%) dans les deux cas . Pour réduire la conductivité thermique et améliorer leur performances TE, nous avons entrepris d’élaborer pour Co0,91Ni0,09Sb3 et Yb0,25Co4Sb12 de type n des microstructures à grains ultrafins (~ 100 nm) par broyage à haute énergie et frittage flash (SPS). Pour inhiber la croissance des grains lors du frittage, nous avons utilisé des additifs nanométriques (10 – 20nm), soit ajoutés ex-situ (CeO2, SiO2), soit générés in-situ (Yb, Yb2O3). Des facteurs de mérite TE ZTmax = 0,8 (+ 30%) et ZTmax = 1,4 ( + 10%) ont été obtenus respectivement pour Co0,91Ni0,09Sb3 et Yb0,25Co4Sb12

  • Titre traduit

    Nanostructured skutterudites


  • Résumé

    The thermoelectric materials (TE) offer the possibility to convert a heat flow into an electric current for recycling heat wasted for example, by our automobiles. AyFe4-xCoxSb12 skutterudites, (A = Ce, Yb, …, 0 ≤ y < 1; x < 4) are already good thermoelectric materials in the 400 – 800 K temperature range. To improve the Seebeck coefficient, nano-inclusions of InSb or GaSb (~ 50 nm) were introduced during the spark plasma sintering step in p type Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12. They did not led to expected charge carriers energy filtering and but led to the insertion of ~ 0.1 mol of indium or gallium in Ce0.3Fe1.5Co2.5Sb12 and to figure of merit improved by 20 % (ZTmax = 0.7) in both cases. To reduce the thermal conductivity and improve their TE performance, we have developed for n type Co0.91Ni0.09Sb3 et Yb0.25Co4Sb12 an ultrafine grained microstructure (~ 100 nm) by high energy milling and spark plasma sintering (SPS). To inhibit grain growth during sintering, we used nanoscale additives (10 – 20nm) either added ex-situ (CeO2, SiO2) or precipitated in-situ (Yb, Yb2O3). The figure of merit ZTmax = 0,8 (+ 30%) et ZTmax = 1,4 ( + 10%) were thus obtained respectively in Co0,91Ni0,09Sb3 and Yb0,25Co4Sb12

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