Elaboration d'éléments de support dans des dispositifs thermoélectriques multicouches

Development of insulating substrates for multilayer thermoelectric devices

• Auteur / Autrice : Stéphanie Kadiebu Kandolo
• Direction : David Stanley Smith
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux céramiques et traitements de surface
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Limoges
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Limoges. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Isolants thermiques

Matériaux poreux

Conductivité thermique

Rhéologie

Résumé

Ce travail fait partie d'un projet global de réalisation d'une pile thermoélectrique de hautes performances en technologie céramique, avec la mise au point d'un matériau semi-conducteur qui sera déposé sur un substrat diélectrique et isolant thermique élaboré par coulage en bande. C'est la réalisation de ce substrat qui en fait l'objet. Des considérations thermiques indiquent qu'une faible conductivité thermique est obtenue pour des matériaux de microstructure poreuse et dépourvus de phases cristallines. Deux matériaux ont été choisis comme support de l'étude : une argile constituée de minéraux en feuillets qui, par deshydroxylation autour de 600°C acquièrent une structure désordonnée et la diatomite, matériau constitué de silice amorphe dont les grains sont de nature poreuse. Fritté à 800°C, l'argile présente une conductivité thermique croissante de 0,21 W/m. K à température ambiante à 0,26W/m. K à 550°C. Des composites argile-silice pyrogénique et argile-zircon ont été élaborés dans le but de diminuer ces valeurs. Il ressort de cette étude que le zircon s'avère plus efficace, la conductivité thermique d'environ 0,19 W/m. K restant constante avec la température. La diatomite présente plusieurs avantages. Outre son fort pouvoir d'isolation (λ allant de 0,08 W/m. K à 20°C à 0,16 W/m. K à 550°C), elle permet d'obtenir dans certaines conditions d'élaboration, une fine couche dense à la surface de la bande, nécessaire pour éviter la pénétration du semi-conducteur à travers les pores ouverts au sein du substrat et faciliter le dépôt

The design and fabrication of a high performance thermoelectric generator based on ceramic technology is envisaged. The system consists of n and p-type semi-conducting layers deposited on a thermally insulating dielectric substrate. The present work is devoted to the choice and preparation of the material for the substrate. The desired characteristics for a low thermal conductivity are an amorphous solid with a porous microstructure. Two raw materials were selected as candidates. The first is a clay, made of layered minerals for which dehydroxylation at 600°C leads to a disordered structure and the second is diatomite, a material constituted of amorphous silica with and inherent natural porosity inside plate like grains. Sintering the clay at 800°C yields a material with thermal conductivity of 0. 21 W/m. K at room temperature increasing to 0. 26 W/m. K at 600°C. In an attempt to decrease the thermal conductivity, the clay was mixed with fine amorphous silica or zircon. The zircon based mixture was the most effective giving a thermal conductivity of 0. 19 W/m. K which remains constant with temperature. In addition to a low thermal conductivity, diatomite presents another interesting advantage. First, tape casting was used to obtain porous layers yielding a thermal conductivity as low as 0. 08W/m. K at room temperature. Then it was found that under certain preparation conditions, the tape cast diatomite formed with a thin dense layer at the surface. This facilitates deposition of the active semi-conductor layer by avoiding loss from penetration through the open porosity of the substrate