Propiedades mecánicas del telururo de bismuto (Bi₂Te₃) procesado mediante torsión bajo alta presión (HPT)

Abstract

INTRODUCCIÓNEl rendimiento de los materiales termoeléctricos a una temperatura dada, T, suele definirse mediante la figura de mérito (Z), donde Z es función del coeficiente de Seebeck (α), la conductividad eléctrica (σ) y la conductividad térmica (κ):De acuerdo con la ecuación [1], para incrementar la figura de mérito es necesario incrementar el coeficiente de Seebeck y la conductividad eléctrica y disminuir la conductividad térmica. Sin embargo, estas tres magnitudes dependen de la concentración de portadores, por lo tanto, es muy complicado introducir cambios en una de ellas sin alterar las demás.En la figura 1 se muestra la dependencia de la figura de mérito en función de la concentración de portadores. Se observa un máximo para concentraciones en torno a 10 20 cm -3 , que corresponde a semiconductores altamente dopados o degenerados (2). Los materiales basados en Bi 2 Te 3 se encuentran en este intervalo y son muy adecuados para la Actualmente el telururo de bismuto (Bi 2 Te 3 ) es el material termoeléctrico más ampliamente usado en sistemas de refrigeración comerciales o en la conversión de energía en torno a temperatura ambiente. Debido a su estructura laminar altamente anisótropa, el Bi 2 Te 3 es muy frágil y suele agrietarse fácilmente a lo largo de su plano basal. Se espera que el afino del tamaño de grano incremente su tenacidad, con la ventaja de que al mismo tiempo la figura de mérito termoeléctrica se vea incrementada. En este trabajo, polvos del compuesto Bi 2 Te 3 se han compactado mediante dos métodos convencionales y mediante deformación plástica severa bajo alta presión (3 GPa) usando la técnica HPT (torsión a alta presión, 1 giro de deformación). Se ha conseguido una densidad cercana a la teórica. La dureza y tenacidad de los compuestos se han ensayado mediante micro-y nano-indentación. Palabras clave: termoeléctrico, figura de mérito, dureza, conductividad, microestructura, prensado. Mechanical properties of bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) processed by high pressure torsion (HPT)Bismuth telluride, Bi 2 Te 3 , is the main thermoelectric material currently in use for commercial cooling devices or for energy harvesting near room temperature. Because of its highly anisotropic layered structure, Bi 2 Te 3 is very brittle, failing by cleavage along its basal plane. Refining its grain size is expected to increase its toughness with the advantage that, simultaneously, its thermoelectric "figure of merit" results increased. In this work, powders of the compound have been compacted by conventional methods as well as by severe plastic deformation under high pressure (3 GPa) using high pressure torsion (HPT, one turn at room temperature). Near-theoretical density has been achieved. The hardness and toughness of the compacts have been assessed by micro and nano-indentation.

High mechanical and thermoelectric performances in hot-pressed CdO

“…Nowadays, the practical applications of TE devices are limited to materials which display high ZT values at relatively low temperatures [4][5][6]. As a consequence, the niche applications of these materials are strongly limited by temperature.…”

Mechanical behaviour of thermoelectric materials – a perspective

“…High-pressure torsion (HPT) deformation is considered one of the successful approaches to induce high dislocation densities to TE materials, in which high strains are attainable with relatively minimal cracking, as opposed by simple tensile or compression deformation [148][149][150][151][152][153][154][155][156][157][158][159][160][161]. In one of the successful applications of HPT, Rogl et al showed that although the high temperature HPT increased significantly the electrical resistivity of impure DD 0.40-Fe 2.8 Co 1.2 Sb 12 (DD stands for didymium, a binary Nd-4.8 wt% Pr alloy), the enhancement in the Seebeck coefficient (120-210 mV/K @ 800 K) and the drop in the thermal conductivity (35-23 mW/cm•K @ 800 K) led to a zT enhancement from 0.5 of the undeformed sample to 1.38 after deformation [153].…”

In situ temperature measurement of a deforming interface with thermoelectricity

“…In the field of severe plastic deformation (SPD) (Azushima et al, 2008;Brown et al, 2009;Edalati et al, 2022;Mansoor and Dasharath, 2020;Valiev et al, 2000), researchers impart extreme strain into materials-typically metals-to attain enhanced structural and functional properties through novel microstructures (Estrin and Vinogradov, 2013). The diverse SPD processes and materials include equal-channel angular extrusion (Furukawa et al, 2002), high-pressure torsion of bismuth telluride (Santamarı´a et al, 2013), cyclic extrusion and compression of aluminum (Richert et al, 1999), accumulative roll bonding of copper with niobium (Nizolek et al, 2016), friction welding of superalloys (Li et al, 2012), and shear-assisted processing and extrusion (ShAPE) of magnesium and aluminum (Whalen et al, 2019a(Whalen et al, , 2019b.…”