Caractérisation de composés thermoélectriques à base de Mg2Si extrudés à chaud

Dans tous les secteurs industriels aussi bien que dans la vie de tous les jours, les pertes d'énergie liées à la dissipation de la chaleur sont énormes et inévitables. Grâce aux modules thermoélectriques, il est possible de convertir directement l'énergie thermique en électricité, ce qui peut mener à des économies d'énergie en réutilisant la chaleur résiduelle perdue. Le laboratoire de thermoélectricité de l'École Polytechnique de Montréal s'intéresse à un matériau thermoélectrique particulier, le siliciure de magnésium (Mg2Si), qui possède comme avantages que les éléments qui le constituent sont abondants sur la planète, peu chers et non toxiques. Dans une optique de production industrielle à grande échelle, la technique d'extrusion à chaud est en train d'être développée pour le Mg2Si, après avoir été développée avec succès pour d'autres matériaux thermoélectriques. À ce titre, plusieurs études de caractérisation du processus d'extrusion et des échantillons produits sont réalisées. De la poudre de Mg2Si additionnée de lubrifiant solide sous la forme de particules de MoS2 à 2 at.% est utilisée comme matériau de départ pour l'extrusion. Les échantillons produits sont homogènes d'un point de vue microstructural et présentent des propriétés thermoélectriques isotropes. La variation de la température d'extrusion permet de mettre en évidence la dépendance des propriétés thermoélectriques envers ce paramètre d'extrusion. La température d'extrusion de 600 °C est la valeur la plus haute atteignable par l'équipement du laboratoire et est retenue comme température d'extrusion de référence du fait qu'elle permette d'obtenir des échantillons avec les plus hautes valeurs de figure de mérite. La caractérisation des transformations subies par le matériau durant le processus d'extrusion est réalisée en comparant trois échantillons extraits à différents endroits dans la filière. L'échantillon situé le plus près de la sortie de la filière possède les meilleures propriétés thermoélectriques, avec une valeur de figure de mérite record pour ce projet de 0.32 à 700 K. La chute de la conductivité thermique due à une légère augmentation de porosité (2%), elle-même potentiellement liée à la diminution du volume des joints de grains moins denses que la maille cristalline, semble en être la raison principale. Les expériences réalisées permettent de mettre en évidence l'existence du phénomène de recristallisation présent durant l'extrusion, qui permet l'amélioration des propriétés électroniques du matériau au travers de la disparition des défauts de la maille cristalline et de la croissance des grains. Les résultats des études réalisées valident la pertinence du choix de l'extrusion à chaud comme procédé de production de Mg2Si, tout en offrant une meilleure compréhension des transformations apportées au matériau.

Abstract

Waste heat is an unavoidable consequence of most industrial processes, and also observed on a daily basis. Thermoelectric devices offer the possibility to recover waste heat by direct conversion of heat to electricity, leading to energy savings. Present research in the thermoelectricity laboratory of Polytechnique Montréal is centered on magnesium silicide (Mg2Si) due to the numerous advantages it offers, such as the earth crust abundance, low cost and non-toxicity of its constituent elements. Following previous success of its application to other thermoelectric materials, the hot extrusion method is being developed for Mg2Si, with potential industrial scale applications. We have developed several characterization studies of the hot extrusion process as well as the samples produced by this method. The starting powder for the extrusion process is composed of 2 at.% MoS2 particles incorporated to Mg2Si powder. The extruded samples present a homogeneous microstructure and isotropic thermoelectric properties. Better thermoelectric properties are to be found with higher extrusion temperatures, leading to the choice of 600°C (highest achievable temperature in the laboratory) to be the reference temperature. By taking three samples from the same lot in different locations inside the extrusion die, it is possible to characterize the material transformations through the extrusion process. The sample located at the exit of the die shows a figure of merit value of 0.32 at 700 K. The main reason for this best value is due to a decrease in the thermal conductivity caused by a small increase in porosity (2%) through the extrusion process that could be linked to the volume decrease of less dense grain boundaries. Our characterization experiments highlight the existence of a recrystallization phenomenon during the extrusion, enabling grain growth and leading to the enhancement of the electronic transport properties. Our results confirm the choice of hot extrusion as an efficient strengthening process for Mg2Si potentially capable of achieving state-of-the-art thermoelectric properties. They also provide a better understanding of the different transformations that take place inside the material during the hot extrusion process.