Développement de composites thermoélectriques Mg2Si/MoS2 extrudés à chaud

Les modules thermoélectriques (TE) permettent la conversion directe d'énergie thermique en énergie électrique. Leur utilisation dans la récupération de chaleur résiduelle sur les sites industriels, ou dans le secteur automobile, conduirait à de précieuses économies d'énergies, à une heure où la rationalisation de la consommation énergétique est sur toutes les lèvres. On se focalise ici sur le siliciure de magnésium (Mg2Si), un semi-conducteur aux propriétés prometteuses pour les applications TE dans la gamme de température 500 K – 800 K. Il est particulièrement populaire grâce à la relative abondance, au caractère peu onéreux et à la non-toxicité des éléments qui le composent. Dans le cadre de cette étude, il est produit pour la première fois par extrusion à chaud,un procédé facilement adaptable à la production industrielle à grande échelle. Les matériaux de base (Mg2Si et MoS2) sont broyés dans un pot scellé, avant que la fine poudre ne soit chargée dans le cylindre d'extrusion. Elle est ensuite poussée à travers la filière à 788 K, sous une pression garantissant une vitesse de sortie constante, fixée entre 0.1 et 1 mm/min. Les flocons de MoS2 agissent comme lubrifiant solide lors de l'extrusion, facilitant la densification, avec une concentration optimale de 2 at. %. Uniformément répartis dans la matrice de Mg2Si, ils agissent probablement comme centres de diffusions pour les phonons, provoquant une réduction de la conductivité thermique des composites produits. Cette interprétation n'a toutefois pas été confirmée par l'utilisation de flocons de WS2, aux propriétés analogues. L'oxydation est un enjeu majeur pour les composés à base de Mg2Si, et en particulier pour nos échantillons extrudés à chaud.Les résultats d'analyse dispersive en énergie (EDS) ont montré qu'on trouve l'oxygène préférentiellement aux joints de grains. Un séquençage du procédé de production a montré qu'il était incorporé à la suite du broyage. Notre étude désigne la résistivité à température ambiante rRT comme caractéristique du taux d'oxydation d'un échantillon, et un recuit sous atmosphère protectrice comme une manière de diminuer sa valeur, ainsi que de chasser l'oxygène des composites extrudés à chaud. L'application du traitement thermique permet d'obtenir une valeur maximale de zT = 0.29 à 700 K, qui reste toutefois inférieure à celle de 0.39 à 700 K mesurée pour un thermoélément commercial. L'étude présentée valide l'approche de l'extrusion à chaud pour la production de Mg2Si avec inclusions de MoS2, et appelle à une optimisation des paramètres de fabrication pour cette classe de composites TE.