Elaboration of zinc phosphate glass/graphite composites : modelling and experimental study of thermoelectric transport parameters
Elaboration de composites verre de phosphate de zinc/graphite : modélisation et étude expérimentale des paramètres de transport thermoélectriques
Résumé
The research carried out in the framework of this thesis has consisted in the development of zinc phosphate glass (45mol. %ZnO-55mol. %P₂O₅) based composites, loaded by different graphite fractions, to study their thermoelectric properties. The structural characterizations of the obtained composites were carried out using different techniques such as X-ray Diffraction (DRX), Scanning Electron Microscopy (SEM) and Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). Then, their thermoelectric transport parameters were determined by measuring the following physical quantities : the electrical conductivity (σ), the thermal conductivity (κ) and the Seebeck coefficient (S). The obtained results were fitted using effective medium theory for each parameters. Based on these results, the figure of merit (ZT= σS²T/κ) quantifying the thermoelectric performance of the elaborated composites was calculated as a function of graphite concentration. This study showed that the figure of merit depends on the volumique concentration of graphite and shows a maximum at 5 vol.%. A signature of a percolation mechanism was observed on both the effective electrical conductivity σ and the effective κ/S ratio. A shift in percolation thresholds between each of these effective parameters was observed. We have demonstrated that the observed maximum in ZT value is due to this shift. To explain this behaviour, we suggest an electrical conduction mechanism by a tunneling effect between graphitic clusters.
Les travaux de recherche effectués dans le cadre de cette thèse ont consisté à élaborer des composites à base du verre de phosphate de zinc (45mol. %ZnO-55mol. %P₂O₅), chargés par différentes fractions volumiques en graphite afin d'étudier leurs propriétés thermoélectriques. Les caractérisations structurales des matériaux composites obtenus ont été effectuées en utilisant différentes techniques comme la diffraction de rayons X (DRX), la microscopie électronique à balayage (MEB) et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR). Puis, leurs paramètres de transport thermoélectriques ont été déterminés à travers la mesure des grandeurs physiques suivantes : la conductivité électrique (σ), la conductivité thermique (κ) et le coefficient Seebeck (S). Les résultats obtenus ont été ajustés en utilisant les modèles de la théorie des milieux effectifs pour chacun de ces paramètres. A partir de ces résultats, le facteur de mérite (ZT= σS²T/κ) quantifiant la performance thermoélectrique des composites étudiés a été calculé en fonction de la concentration en graphite. Cette analyse a permis de montrer que le facteur de mérite des matériaux composites obtenus dépend de manière significative de la concentration en graphite et montrent une valeur maximale de ZT vers 5%vol. Une signature d'un mécanisme de percolation a été observée à la fois sur la conductivité électrique effective et sur le rapport κ/S effectif. Un décalage entre les seuils de percolation de chacun de ces paramètres effectifs a été observé. Nous avons montré que le maximum observé de la valeur de ZT s'explique par le décalage entre ces seuils. Nous avons avancé l'hypothèse d'un mécanisme de conduction électrique par effet tunnel entre amas de graphite pour expliquer que la manifestation de la percolation sur la conductivité électrique survient à des concentrations inférieures à celle sur le rapport κ/S.
Origine : Version validée par le jury (STAR)