Academic literature on the topic 'Matériaux thermoélectrique'

Les matériaux composites – de par leurs propriétés spécifiques élevées – sont l’une des classes de matériauxpermettant de fabriquer des structures aéronautiques plus légères pour une meilleure performance énergétique des aéronefs etune réduction conséquente des émissions de CO2. Les composites à matrice polymère renforcée par des fibres de carbone(CFRP) sont de plus en plus utilisés dans l’industrie aéronautique civile pour la réalisation de parties structurales, dontrécemment les panneaux de fuselage.L’intégration des CFRPs dans ces structures ne se fait pas sans difficultés : le fuselage – normalement soumis aux charges de lapressurisation – peut être soumis à des chocs/impacts, particulièrement dommageables pour les composites, et exposé àl’agression de l’environnement (température, humidité, liquides de refroidissement, …).Le fuselage est aussi le siège de sollicitations de nature électrique, telles que celles liées au retour de courant à la masse ou aufoudroiement : bien que des réseaux secondaires de câbles électriques et de grillages métalliques soient prévus afin de supporterces charges, l’action de courants de fuite, transitant à travers les jonctions boulonnées et rivetées, et les fortes différences depotentiel électrique dans l’épaisseur du fuselage, conséquences du foudroiement, peuvent activer le couplage thermoélectriqueet conduire à des échauffements localisés de ces structures. Les phénomènes liés à ce type de couplage peuvent êtreparticulièrement marqués dans les CFRPs – les matrices polymères étant électriquement et thermiquement quasi-isolantes, lecomportement thermoélectrique global du composite étant fortement anisotrope – et méritent d’être approfondis. L’intégrationde micro et nano charges – en particulier les nanotubes de carbone (NTCs) – dans les résines polymères ou à l’interfacefibre/matrice peut globalement améliorer ce comportement mais il s’agit d’une solution technologique qui nécessite encored’être explorée en détail.Ce travail est consacré à la caractérisation du comportement thermoélectrique anisotrope de matériaux CFRPs - chargés ou nonchargés en NTCs. Cette caractérisation comprend :· la mesure des valeurs de résistivité/conductivité électrique et de leur évolution avec la température,· la caractérisation des champs de température induits par le passage de courants électriques,· l’identification des paramètres pour la modélisation du comportement thermoélectrique de ces matériaux etpour l’interprétation des essais,· la caractérisation de l’effet d’un vieillissement humide sur les valeurs de résistivité/conductivité électrique ducomposite
Composite materials – since their high specific properties – are used recently to reduce the weight of aircraftstructures and to improve the performance engine in order to reducing the emissions of CO2. Composites of Carbon FibberReinforced Polymer matrix (CFRPs) are increasingly used in civil aviation industry for the production of structural parts:fuselage panels.Integrating CFRPs in the aeronautical structures has also some difficulties: the fuselage – generally subject to pressure of airflux – would be subjected also to shocks/impacts, particularly will be damaging for exposed to the aggressive environment(temperature, humidity, liquid cooling, ...).The fuselage is the principal structure to support the charge of electric current, such as those related to the electric current returnto ground or lightning : although the secondary networks of electrical cables and wires fences are provided to support thesecharges, the action of leakage currents, probably passer through bolted and riveted joints and because of the high differences ofelectrical potential between the surface of panels thickness, can activate the thermoelectric coupling and lead to localizedheating of these structures. Phenomena related to this type of coupling may be particularly remarkable in CFRPs – since thepolymer matrices is electrically and thermally quasi-insulates, for composite the thermoelectric behaviour is highly anisotropic– and need further research and investigation. The integration of micro and nano fillers – especially carbon nanotubes (CNTs) –in the polymer resin or in interface of fibber/matrix can improve the overall behaviour, but it is a technological solution that stillrequires be explored in detail.The aim of this work is to characterize the anisotropic properties of thermoelectric behaviour of materials CFRPs – charged oruncharged in CNTs. This characterization includes:· measurement of electrical resistivity/conductivity and their evolution with temperature,· characterization of the temperature fields induced by the passage of electric current,· identification of parameters for modeling the behavior of these thermoelectric materials and interpretation oftests,· characterization of the effect of moisture aging on the values of resistivity/conductivity of the composite

Les oxydes thermoélectriques (TE) Ca4Mn3O10 et CaMnO3 ont été synthétisés par voie solide et différentes conditions de synthèse ont été optimisées afin d’obtenir des composés de grande pureté et de grande densité. La substitution sur le site du Calcium par un élément de valence différente (Terre Rare) ainsi que la variation des conditions de mise en forme de ces céramiques ont permis de diminuer significativement la résistivité électrique, facteur limitant les performances. Un facteur de puissance de l’ordre de 0. 46 mW. K-2. M-1 a ainsi été obtenu sur le composé Ca0. 95Sm0. 05MnO3 mis en forme par pressage isostatique et fritté à 1450°C, une valeur particulièrement élevée pour cette famille de matériaux. Ce matériau a ensuite fait l’objet d’une intégration dans des dispositifs de conversion thermoélectrique, d’architectures conventionnelle et « unileg ». Parallèlement à ce travail, le développement d’un banc de caractérisations a permis d’évaluer les performances des différents modules réalisés. Des puissances en sortie d’environ 300 mW ont été atteintes pour des générateurs composés de 36 jambes et soumis à une différence de température de 400°C. Ces premiers résultats sur les générateurs à base de matériaux oxydes ont permis de mettre en évidence que les contacts métal-céramique dans ces systèmes sont particulièrement résistifs et limitants. Les performances qui en découlent sont logiquement affectées et leur amélioration passe par un travail d’optimisation des interfaces. Une étude approfondie basée sur la méthode TLM (Méthode des Lignes de Transmission) a permis d’aboutir à une amélioration substantielle des résistances de contact
Thermoelectric (TE) oxides Ca4Mn3O10 and CaMnO3 have been synthesized by solid state reaction and their synthesis conditions have been optimized in order to obtain high purity and density. It has been found that the substitution of Ca by an element with a higher valency such as Rare Earth elements, and improved ceramics process lead to a strong decrease of the electrical resistivity, which is one of the key factor for the properties enhancement. The Ca0. 95Sm0. 05MnO3 compound, shaped by isostatic pressing and thereafter sintered at 1450oC, presents a power factor reaching 0. 46 mW. K-2. M-1 which is close to the best published values. Above-mentioned material has been integrated into thermoelectric modules with conventional and so called “unileg” architectures and the performances have been evaluated by a home-made equipment. Output powers of 300 mW have been reached for a 36-leg modules with a temperature difference of 400°C. These performances can be enhanced by the optimization of the metal contacts to ceramic oxides. An additional study, based on the TLM (Transmission Line Method) method, lead to a substantial improvement of the contacts

Le développement de nouveaux composés intermétalliques du système Mg2Si1-xSnx a fait l'objet de recherches intensives en particulier sur leurs propriétés thermoélectriques intéressantes. Les matériaux à base de magnésium sont de bons candidats pour des applications thermoélectriques à des températures moyennes comprises entre 500 et 800 K. Nous nous sommes intéressés dans notre étude à une classe particulière de phases intermétalliques; les phases de Laves caractérisées par des propriétés physiques remarquables en particulier en matière de conductivité électrique intéressante. Des travaux de recherche ont été effectués sur le composé Mg2Si notamment connus pour ses applications thermoélectriques à température moyenne et ont révélé que le dopage de ce composé avec les éléments Sb, Ge et Sn améliore de façon significative les propriétés thermoélectriques de ce matériau. Notre travail consiste à l'élaboration de nouveaux matériaux thermoélectriques en massifs et en couches minces type Mg2Si1-xSnx et d'optimiser leurs propriétés thermoélectriques. L'étude structurale de Mg2Si0,4Sn0,6, Mg2Si et Mg2Sn en fonction de la température ainsi que les affinements des paramètres de maille par la méthode Rietveld sont exposés dans ce travail.

Ce travail de thèse est consacré à l’étude des composés à clusters de chalcogénures de molybdène à fort potentiel thermoélectrique. Ce manuscrit est divisé en six parties. La première partie est une introduction à la thermoélectricité et aux matériaux d’intérêt dans le domaine. Dans la seconde partie, l’ensemble des méthodes expérimentales de synthèse et de caractérisations structurales et physiques mises en oeuvre dans le cadre de ce travail sont exposées, ainsi que les méthodes quantiques utilisées. La troisième partie est dédiée à l’étude expérimentale et théorique de la solution solide AgxMo9Se11 (3,4 ≤ x ≤ 3,9) basé sur le cluster Mo9. Les mesures des propriétés de transport ont démontré leur fort potentiel thermoélectrique. Les calculs théoriques permettent de comprendre les propriétés structurales et physiques de ce composé. La quatrième partie est consacrée à l’étude expérimentale et théorique des composés de formule E2Mo15Se19 et Ag3E2Mo15Se19 (E = In, Tl) présentant une structure cristalline plus complexe, basée sur un mélange d’un cluster octaédrique Mo6 et d’un cluster Mo9, analogue à celui présent dans le composé précédent. L’étude montre notamment que l’insertion d’argent améliore considérablement le pouvoir thermoélectrique de ces phases. Une cinquième partie est dédiée à l’étude de composés dont la brique élémentaire est le cluster Mo12. Enfin, la dernière partie est consacrée à l’étude des composés Tl2Mo9Se11 et Ag2Tl2Mo9Se11 où l’insertion d’argent induit un bouleversement structural important
This work is devoted to the study of molybdenum cluster compounds with interesting thermoelectric properties. The manuscript is divided in six chapters. The first one is an introduction to thermoelectrics. In the second part, all experimental methods dealing with the synthesis and the structural and physical characterizations are detailed as well as the quantum chemical methods used. The third part is devoted to the experimental and theoretical study of the solid solution AgxMo9Se11 (3. 4 ≤ x ≤ 3. 9) based on the bioctahedral Mo9 cluster. Measurements of the transport properties demonstrated their interesting thermoelectric properties. The theoretical calculations allow the understanding of the structural and physical properties of these compounds. The fourth part is dedicated to the experimental and theoretical study of the compounds of formula E2Mo15Se19 and Ag3E2Mo15Se19 (E = In, Tl) with a more complex crystal structure based on a mixture of a octahedral Mo6 cluster and a Mo9 cluster, similar to the one present in the previous compound. The study shows that the insertion of silver substantially improves the thermoelectric power of these phases. The fifth part is devoted to the study of Mo12-based chalcogenides where copper or zinc can be inserted. Finally, the last part is devoted to the study of Tl2Mo9Se11 and Ag2Tl2Mo9Se11 compounds where the insertion of silver leads to an important structural modification

Cette thèse présente l’étude de nanocristaux semi-conducteurs pour leur intégration dans des dispositifs de conversion thermoélectrique. Ce phénomène permet de générer un courant à partir d’une différence de température entre deux faces, reliées par deux pieds conducteurs de charges. Les matériaux les plus efficaces à température ambiante sont basés sur le tellurure de bismuth Bi2Te3, qui est toxique et coûteux. Une étude théorique et bibliographique, portant sur les grandeurs caractéristiques de la conversion thermoélectrique, est réalisée. Elle permet de déterminer les matériaux d’intérêt en fonction de leur coût et de leur efficacité, que l’on peut optimiser à travers différents paramètres d’influence. La chalcopyrite, CuFeS2, présente des propriétés intéressantes en thermoélectricité, et offre une alternative intéressante aux matériaux classiques, car composée d’éléments abondants et non-toxiques. La synthèse par voie chimique choisie permet de contrôler la composition du matériau, et d’obtenir des nanocristaux de taille contrôlée entre 30 et 50 nm, pour diffuser les phonons dans le matériau et diminuer sa conductivité thermique. La thèse s’oriente autour de l’étude de ces nanocristaux semi-conducteurs de CuFeS2, organisée en deux parties principales.La première partie décrit la synthèse par voie chimique des nanocristaux et leur étude structurale. Deux méthodes de synthèse sont optimisées et permettent de contrôler finement la stœchiométrie du matériau, et d’accéder à des cristaux de différentes tailles et morphologies. Une étude complète de la composition des nanocristaux est réalisée par XPS, EDX et thermogravimétrie. L’étude du matériau par diffraction des rayons X met en évidence l’influence de la composition chimique des nanocristaux, et des conditions de température et de pression sur la phase cristalline du matériau. Une transition de phase de la wurtzite vers la chalcopyrite est décrite.Dans la seconde partie sont étudiées les propriétés thermoélectriques des nanocristaux synthétisés. Leur mise en forme en pieds thermoélectriques monolithiques est décrite, ainsi que l’optimisation de leurs propriétés thermoélectriques à travers trois stratégies. Le matériau obtenu est un conducteur de type n, qui permet la conduction des électrons. Sa conductivité thermique est réduite par nanostructuration. La première stratégie consiste à faire varier la composition des nanocristaux, et plus particulièrement le rapport entre charges cationiques et anioniques, pour modifier le taux de dopage du matériau, et ainsi modifier sa conductivité électrique et son coefficient Seebeck. La seconde voie d’amélioration consiste à remplacer les ligands isolants présents après la synthèse des nanocristaux par des ligands courts et conducteurs, pour augmenter la conductivité électrique du matériau. Enfin, des nanoparticules métalliques d’argent, d’étain et de cuivre sont introduites en mélange avec les nanocristaux afin d’augmenter la conductivité électrique du matériau nanocomposite ainsi créé.Cette thèse apporte des éléments de compréhension entre la structure et la composition de matériaux ternaires et leurs propriétés thermoélectriques, et permet d’envisager une amélioration de leurs performances. Les matériaux optimisés présentent des efficacités comparables aux résultats de la littérature pour cette famille de matériaux, notamment autour de la température ambiante. A travers une combinaison efficace des facteurs d’influence étudiés, ces efficacités pourront être dépassées lors de futurs travaux, et le matériau intégré à un dispositif de conversion thermoélectrique couplé à une cellule photovoltaïque, pour la conversion de l’énergie solaire par les deux phénomènes
This thesis presents the studies made on semiconducting nanocrystals, to be integrated in thermoelectric generators. Thermoelectricity generates a current through a temperature difference between two faces, connected by thermoelectric legs which conduct the charges. Nowadays, the most efficient materials at room temperature contains tellurium, which is toxic and expansive due to its scarcity. A study on theory and literature is carried to understand the underlying phenomena which help us explain the thermoelectric conversion. The potentially interesting materials are selected for their cost and efficiency, tunable by varying different parameters. Chalcopyrite, of formula CuFeS2, presents promising properties for thermoelectricity, and offers an interesting way to replace classic materials as a non-toxic earth-abundant substitute. The chemical synthesis allows to control the composition of the material and to obtain 30 to 50 nm sized nanocrystals, able to scatter phonons and diminish the thermal conductivity of the material as a consequence. The thesis is describing the study of these semiconducting CuFeS2 nanocrystals, and is divided in two main parts.The first part describes the chemical synthesis of the nanocrystals and the characterization of their structure. Two ways of synthesis are developed and optimized, allowing to control the stoichiometry of the material, and to obtain crystals of different sizes and shapes. A complete study of the composition of the nanocrystals is made by XPS, EDX and thermogravimetric analysis. The study of the material by X-ray diffraction shows that the chemical composition of the nanocrystals, as well as the temperature and the pressure, have an influence on their crystalline phase. A phase transition from the wurtzite phase to the chalcopyrite phase is described.In the second part, are studied the thermoelectric properties of the nanocrystals. Their preparation as solid materials is described. The improvement made on their efficiency is following three main paths. The obtained material is a n type conductor, which means it carries electrons. Its thermal conductivity is reduced due to the nanostructuration. The first strategy consists in varying the composition of the nanocrystals, and especially the ratio between positive and negative charges, carried by ions, to modify the electrical conductivity and Seebeck coefficient of the material through doping. The second way of improvement is by replacing the native insulating ligands of the nanocrystals by short inorganic conducting ones, to increase the electrical properties of the material. Finally, metallic nanoparticles, of silver, tin and copper, are blended with the nanocrystals to improve the electrical conductivity of the resulting nanocomposite material.This thesis helps one to understand the relation between structure, composition and thermoelectrical properties of ternary semiconducting materials. It is possible to think of ways of improvement for the studied materials. Our best results are state of the art for this family of materials, especially around room temperature. There is room for improvement, with a proper combination of the studied parameters. During a future work, the optimized material could be integrated to a thermoelectric - photovoltaic device, for conversion of the solar energy through the two phenomena

Les microgénérateurs thermoélectriques planaires sont de nouvelles sources d'énergie pour l'électronique portable. Nous avons optimisé leur géométrie à l'aide d'un modèle analytique et numérique. La fabrication d'un générateur utilisant comme matériau actif du silicium est également présentée. L'accès à la conductivité thermique est essentiel pour l'ingénierie des matériaux thermoélectriques utilisés dans ces microsystèmes. Le potentiel des méthodes 3omega et Völklein à mesurer cette grandeur sur des couches minces est étudié expérimentalement et par simulations numériques. Le transfert de chaleur entre les microsystèmes et leur environement est étudié par la méthode Völklein. Le facteur de mérite de couches de silicium polycristallin bien qu'améliorés par un facteur trois en diminuant la taille de grains reste faible. Les propriétés électriques de multicouches à base de PbTe ouvrent des perspectives intéressantes pour leur intégration dans les microsystèmes.

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

Un module de calcul des coefficients de transport a été implementé, puis appliqué à différents systèmes tels que le zinc pur, les phases MAX 312, les demi-Heusler, ou les Skutterudites. Dans ce travail nous montrons en particulier que des approximations simples pour les processus de diffusion suffisent à évaluer ces coefficients avec une précision raisonnable. Ainsi le coût de calcul reste suffisamment modeste pour envisager l'utilisation de ces calculs dans la recherche de nouveaux matériaux thermoélectriques. De plus nous montrons que le calcul des vitesses des électrons par la technique de différentiation spectrale donne de bons résultats ce qui accélère encore le calcul. Nous terminons ce travail par un chapitre sur l'approximation de l'échange exact pour le calcul de la structure électronique des systèmes fortement corrélés

Ce travail a permis de mettre au point un dispositif automatisé de mesure simultanée de la résistivité et du pouvoir thermoélectrique absolu de métaux et d'alliages de métaux à l'état liquide. Nous avons mesuré la résistivité électrique et le pouvoir thermoélectrique absolu des alliages liquides argent-gallium, argent-manganèse et cuivre-manganèse. Le pouvoir thermoélectrique absolu des alliages liquides argent-bismuth et cuivre-manganèse-nickel a également été mesuré. Une interprétation théorique est faite, pour la résistivité et le pouvoir thermoélectrique absolu des corps purs et des alliages liquides, sur la base du formalisme de la matrice t et des déphasages en fonction de l'énergie appliqués à la formule de Faber-Ziman. L'interprétation théorique du pouvoir thermoélectrique absolu a été faite pour la première fois, à notre connaissance, par un calcul complet tenant compte du terme de dépendance en énergie. Les résultats obtenus présentent un meilleur accord avec l'expérience qu'un calcul local du pouvoir thermoélectrique absolu. Les résultats calculés obtenus pour les alliages nobles-polyvalents sont en meilleur accord avec l'expérience que ceux obtenus pour les alliages nobles-transition. Les déphasages du manganèse en fonction de l'énergie et la valeur de l'énergie de fermi du manganèse ne permettent pas d'avoir un bon accord entre théorie et expérience
This work has allowed to create a new automated device which measures simultaneously the resistivity and the absolute thermoelectric power of metals and alloys of metals in the liquid state. We have measured the electrical resistivity and the absolute thermoelectric power of liquid alloys of silver-gallium, silver-manganese, copper-manganese. The absolute thermopower of liquid alloys of silver-bismuth and copper-manganese-nickel have also been measured. A theorical interpretation is made, for the resistivity and the absolute thermoelectric power of liquid metals and liquid alloys, using the single site t matrix formulation and the energy dependence of phase shifts with the extended Faber-Ziman formula. The theoretical interpretation of absolute thermoelectric power have been made for the first time, at our knowledge, with an entire calculation taking into account the energy dependance. The results obtained how a better agreement with experience than the local calculation of absolute thermoelectric power. The computed results obtained for noble-polyvalent alloys are in better agreement with experience than those obtained for noble-transition alloys. The energy dependent phase shifts of manganese and the value of the Fermi energy of manganese don't give a good agreement between theory and experience