Etude des propriétés thermoélectriques des revêtements de matériaux de type β-FeSi2

Study of thermoelectric properties of the coatings of β-FeSi2 type materials

• Auteur / Autrice : Xiaohua Feng
• Direction : Dunpin Hong, Marie-Pierre Planche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 26/05/2016
• Etablissement(s) : Belfort-Montbéliard
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IRTES. LERMPS - Laboratoire d'Études et de Recherches sur les Matériaux- les Procédés et les Surfaces / IRTES - LERMPS
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de technologie de Belfort-Montbéliard (1999-....)
• Jury : Président / Présidente : Bertrand Lenoir
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Bernard, Hanlin Liao
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadjib Semmar, Vincent Guipont

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soudage laser

Chaleur -- Récupération

Thermoélectricité

Mots clés libres

SPS

SLM

LPPS

Matériau thermoélectrique ß FeSi2

Propriétés thermoélectriques

LPPS

SPS

SLM

Thermoelectric material ß FeSi2

Thermoelectric properties

Résumé

L'incertitude de l'énergie mondiale avec l'augmentation constante de la demande d'énergie déclenche la recherche de technologies de conversion d'énergie à haut rendement. Les dispositifs thermoélectriques (TE) peuvent jouer un rôle très important dans la collecte et la valorisation de l'énergie car ils peuvent être employés pour récupérer la chaleur résiduelle. Par exemple, la quantité de chaleur émise sous forme de déchets par les différents moteurs thermiques est évaluée en centaines de millions de MWh /an.Cette thèse vise à démontrer la faisabilité de fabrication des systèmes de récupération de la chaleur issue des déchets à l'échelle industrielle en utilisant des générateurs thermoélectriques (TE). Les techniques de fabrication proposées sont basées sur l'utilisation de technologies avancées comme le frittage par spark plasma, le broyage, la fusion laser sélective et la technologie de projection thermique. Ces techniques rendent possible l'élaboration de revêtements de matériau thermoélectrique avec des performances thermoélectriques supérieures et une flexibilité forte liées aux choix multiples de tailles, de formes et de matériaux.Nous nous sommes intéressés à l'étude du matériau semi-conducteur ß-FeSi2 car il présente un coefficient de mérite fort dans une plage de température de 300-800oC qui est la température des gaz en sortie de moteur voiture.Les techniques de SLM (Selective Laser Melting), de broyage, de frittage et de frittage flash (SPS) ont été successivement utilisées pour aboutir à l'élaboration de l'alliage ¿-FeSi2. Les revêtements ont ensuite été obtenus par la technique de projection plasma sous basse pression.Concernant le revêtement formé à partir de l'alliage par procédé LPPS, la transformation de phase de la phase cubique -ferrosilicium et de la phase quadratique ¿-Fe2Si5 en phase orthorhombique ß-FeSi2 se produit en obéissant aux réactions péritectique et eutectique. Après recuit sous température et temps appropriés, les revêtements présentent une phase complète ß-FeSi2 sur le substrat céramique.En outre pour une application à grande échelle, il est nécessaire de déposer ce type de revêtement sur un substrat en acier inoxydable et il convient dans ce cas d'utiliser un masque approprié pour fabriquer le dispositif thermoélectrique.

The uncertainty in the global energy with the constant increase in energy demand triggers the search for energyconversion technologies with high efficiency. The thermoeletrical devices (TE) can play a relevant role in thecollection and recovery of energy because they can be used to recover waste heat. For example, the amount of heatemitted as waste by different ombustion engines is evaluated hundreds of millions of MWh / year.This thesis aims to demonstrate the feasibility of anufacturing heat recovery systems from waste on an industrialscale using thermoelectric generators (TE). The proposed manufacturing techniques are based on the use ofadvanced technologies such as spark plasma sintering, crushing, selective laser melting and thermal spraytechnology. These techniques make possible the development of thermoelectric material coatings with superiorthermoelectric performance and high flexibility related to multiple choices of sizes, shapes and materials.The study of semiconductor ß-FeSi2 material was conducted in this goal because it has a strong merit coefficient(ZT) in the temperature range of 300-800°C which is the temperature of the output gas of the cars.Selective Laser Melting, sintering and spark plasma sintering (SPS) were successively used to lead to themanufacture of ¿-FeSi2 alloy. The coatings were then obtained by low pressure plasma spraying.Concerning the coating formed from the alloy, the phase transformation of the cubic phase ¿-ferro-silicon and thetetragonal phase ¿-Fe2Si5 in the orthorhombic phase ß-FeSi2 is produced by obeying the eritectic and eutecticreactions. After annealing under suitable temperature and time, the coatings sprayed on the ceramic bstratepresent a complete phase ß-FeSi2.In view of a large-scale application, it is necessary to spray this type of coating on a stainless steel substrate and inthis case to use a suitable mask for making the appropriate thermoelectric device.