Ανάπτυξη και χαρακτηρισμός πυριτιδίων για θερμοηλεκτρικές εφαρμογές

Abstract

Στις μέρες μας είναι πρόκληση η ανάκτηση της «χαμένης» ενέργειας μιας και η ενέργεια είναι ένα από τα σημαντικότερα παγκόσμια προβλήματα που πρέπει να αντιμετωπίσουμε. Τις τελευταίες δεκαετίες, το ενδιαφέρον στη θερμοηλεκτρική (Θ/Η) τεχνολογία έχει αυξηθεί δραματικά για την αξιοποίηση «χαμένης» ενέργειας (υπό μορφή θερμότητας) και μετατροπής της σε ηλεκτρική ενέργεια και τείνει να αποτελέσει ένα σημαντικό εργαλείο δίνοντας λύσεις εξοικονόμησης και εναλλακτικές επιλογές. Η ανάπτυξη νανοδομημένων υλικών αποτελεί τη σύγχρονη και πολλά υποσχόμενη τάση σε επίπεδο έρευνας στην επιστήμη των υλικών εφόσον στοχεύει τόσο στη μείωση της θερμικής αγωγιμότητας πλέγματος αλλά και στην ταυτόχρονη βελτίωση του παράγοντα Θ/Η ισχύος και κατ’ επέκταση του συντελεστή Θ/Η απόδοσης. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή περιγράφονται και αναλύονται τόσο οι μεθοδολογίες και οι συνθήκες σύνθεσης μητρικών, νανο- και νανοσύνθετων υλικών όσο και τα δομικά και Θ/Η χαρακτηριστικά υλικών βασισμένων στα συστήματα Mg2Si και CoSi. Τα συστήματα αυτά αποτελούν υποσχόμενες οικογένειες ανεπτυγμένες με φθηνές πρώτες ύλες, μη-τοξικές, με καλύτερη απόδοση από τα υφιστάμενα υλικά σε θερμοκρασιακή περιοχή κατάλληλη για ενεργειακές εφαρμογές. Πιο συγκεκριμένα, για το σύστημα Mg2Si, μελετήθηκε (α) η ανάπτυξη νανοκρυσταλλικού Mg2Si μέσω της διαδικασίας παρατεταμένης υγρής μηχανικής άλεσης, χρησιμοποιώντας n-εξάνιο ως μέσο ελέγχου, (β) η σύνθεση στερεάς κατάστασης Mg2Si (καθαρό ή με προσμίξεις Bi/Sb) μέσω μικρής διάρκειας μηχανική άλεση και χαμηλής θερμοκρασίας ανόπτησης και (γ) η ανάπτυξη νανοσύνθετων υλικών με τη χρήση της βέλτιστης μήτρας και την εισαγωγή νανο-SiO2 ως διεσπαρμένη φάση. Για το σύστημα CoSi μελετήθηκε η σύνθεση μονοφασικού CoSi ενώ αναπτύχθηκαν και νανοσύνθετα υλικά εισάγωντας νανοσωματίδια SiO2, Al2O3, και Si3N4. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη μείωση της θερμικής αγωγιμότητας πλέγματος των νανοσύνθετων υλικών και έγινε συγκριτική ανάλυση με τη Θεωρία Ενεργού Μέσου, έτσι ώστε να μελετηθεί η επίδραση των διαφόρων φάσεων.

Nowdays, the recovery of ‘wasted’ energy is a challenge since; the energy is one of the most important global problems we have to face. In the last decades, the interest in thermoelectric (T/E) energy has dramatically as it concerns the technology of recovering the ‘wasted’ energy (in the form of heating) and the transformation of it to electricity tends to be an important tool by giving solutions and other alternative options. The development of nanostructured materials is the modern and very promising trend in the material science where since aims both to reduce the lattice thermal conductivity and the simultaneous improvement of power factor (σS2, PF) and hence the thermoelectric figure of merit (ZT). In the certain dissertation they are described and analyzed the methodologies and the synthesis conditions of matrix, nano- and nanocomposite materials as also the structural and TE characteristics of these materials, based on Mg2Si and CoSi systems. The certain systems are promising (categories) families, manufactured with cheap raw materials, non-toxic with better performance of the existing materials in the temperature range suitable for energy applications. Particularly, as far as it concerns the system Mg2Si, we have studied (a) the fabrication of nanocrystalline Mg2Si material - via wet ball-milling process using n-hexane as process control agent-, (b) the solid-state reaction Mg2Si (pure or with doping Bi/Sb) - through short duration ball milling and low-temperature annealing-, (c) the development of nanocomposite materials with the use of optimal matrix and the adding of nano-SiO2 as dispersed phase. As far as it concerns the system CoSi it was studied the fabrication single phase CoSi while nanocomposites CoSi have been studied by introducing metal nanoparticles, SiO2, Al2O3, and Si3N4. Special emphasis has been placed on the reduction of thermal conductivity of the nanocomposite material and has been made a comparative analysis with the Effective Medium Theory, in order to study the effect of various phases.