Étude des frottements internes dans le tellurure de bismuth préparé par extrusion

Dans ce travail nous avons réalisé au laboratoire un montage expérimental qui permet l'étude, en fonction de la température, des frottements internes (IF) et la détermination de la constante de Young, par spectroscopie mécanique, des tiges thermoélectriques des alliages semiconducteurs à base de tellurures de bismuth élaborées par extrusion à chaud. Le principe du montage repose sur l'excitation mécanique des échantillons et l'enregistrement du signal de la réponse acoustique résultant. Après extraction de la fréquence naturelle de vibration, il est possible de déterminer le module de Young et le frottement interne pour la tige en étude. Cette technique d'excitation par impulsion est non-destructive et ne nécessite pas de couper les échantillons et ainsi dégrader leurs propriétés mécaniques. Ceci nous permettra de mieux contrôler les pièces après élaboration et de nous assurer de leur qualité avant utilisation. Les résultats obtenus de la variation des frottements internes en fonction de la température ont montré une différence de comportement avec la température entre les échantillons de tellurures de bismuth de type N et P. Des traitements de ces résultats ont permis de tirer des lois de comportement pour les deux types d'alliages thermoélectriques. Ce même traitement permet la détermination d'une énergie d'activation associée à la variation de frottement interne (IF), en fonction de la température, qui suit une loi exponentielle. Des mécanismes de dissipation de l'énergie élastique ont été suggérés. La variation exponentielle est limitée par un plateau aux basses températures. Ceci a été interprété par la structuration à une échelle nanométrique de notre matériau. L'influence de la présence de fissures sur les mesures de frottements internes a été étudiée. Pour une certaine gamme de températures (de 100 à 200°C), les valeurs de IF augmentent très rapidement et atteignent des valeurs très élevées (entre 10-2 et 10-1). Aux températures correspondant aux frottements internes très élevés, nous avons obtenu une augmentation de la fréquence naturelle et du module de Young. Une longue tige coupée en trois morceaux a été étudiée pour vérifier sa non-homogénéité. Aux basses températures, la partie qui correspond à la fin de l'extrusion présente des IFs plus élevés. Le module de Young est plus faible dans la partie qui correspond au début de l'extrusion. Ceci

Abstract

In this work, we realized an experimental set up in the laboratory in order to study the internal friction of rods of bismuth telluride based alloys as a function of temperature, and to determine their Young's modulus by mechanical spectroscopy. Bismuth telluride alloys are semiconductor materials, which we obtain by mechanical alloying and hot extrusion. The set up provides the mechanical excitation of the sample and a registers the resultant acoustic signal response. Following the extraction of the vibration natural frequency, it is possible to determine Young's modulus and the internal friction (IF) of the studied rod. This impulse excitation technique (IET) is non-destructive and does not require cutting the analyzed samples and thus preserves their mechanical properties undamaged. This allows a better evaluation and control of the mechanical properties of the elaborated samples and ensures their quality before processing for thermoelectric module fabrication. The obtained results of the variation of internal frictions as a function of temperature showed a difference in behavior between the N and P type bismuth telluride based alloys. Data treatments permitted to draw behavior laws for both types of thermoelectric alloys. The treatment also permits the determination of an activation energy associated with the exponential law variation. Mechanisms of the elastic energy dissipation have been suggested. The exponential variation of the internal friction is limited by a plateau in the region of low temperatures. This was interpreted as arising from the nanometric structure of our bulk material. The influence of the presence of cracks in defective rods on internal frictions measurements has been investigated. In a certain temperature range (100 - 200°C), the IF values increase rapidly to reach very high values (> 10-2). At temperatures corresponding to higher internal frictions, we obtained an increase in the oscillation natural frequency and in Young's modulus. A long rod cut in three parts was studied to check its non-homogeneity. At low temperatures, the part corresponding to the end of extrusion presents higher IF. Young's modulus is smaller in the part corresponding to the beginning of the extrusion. This might be due to the fact that this latter part of the rod is more porous and less dense than the other two parts.