Estudo da solidificação e do processamento cerâmico de ligas de Si-Ge para aplicações termoelétricas

Abstract

Os materiais cerâmicos termoelétricos preparados a partir de ligas de Si-Ge, são utilizados em Geradores de Potência a Radioisótopos (GTR), na conversão de energia por efeitos termoelétricos. Neste trabalho de pesquisa foram estudadas as condições de preparação destas cerâmicas a partir de ligas de Silício-Germânio. Visou-se portanto obter a melhor eficiência, pela otimização da "Fator de Mérito" (ou Número de Ioffe), através dos processos de preparação e tratamentos térmicos da liga, e também na dopagem das cerâmicas. As ligas de silício-germânio (Si80Ge20) foram obtidas pela técnica de crescimento Czochralski, com campo elétrico aplicado (ECZ) e também por outras técnicas de fusão e solidificação, para comparação. Amostras com homogeneidade satisfatória foram quebradas e moídas para processamento cerâmico. E em seguida o pó da liga foi então dopado, misturando-se este com pó de boro amorfo e depois prensado, a fim de se obter elementos cerâmicos semicondutores tipo-p, com propriedades termoelétricas para altas temperaturas ( 1000ºC). A sinterização foi feita por três técnicas diferentes: pela técnica dos Pós Discretos ou PIES (Pulverized and Intermixed Elements of Sintering), pelo procedimento cerâmico convencional, e pela Prensagem a Quente (Hot-Pressing), sendo esta última usada como padrão de comparação. As amostras obtidas foram analisadas e caracterizadas por técnicas convencionais de caracterização cerâmica tais como: medidas da densidade, dos tamanhos dos grãos, porosidade, área superficial, etc. e também por medidas de alguns dos parâmetros físicos que influenciam diretamente na eficiência termoelétrica tais como: coeficiente Seebeck, calor específico e parâmetro de rede, para ligas de composição nominal Si80Ge20 sem e com dopantes para semicondutores tipo-p. Uma amostra preparada pela General Electric usando a técnica de Prensagem a Quente (Hot-Pressing), foi usada como padrão de comparação. A liga obtida pela técnica ECZ apresentou boa homogeneidade. Foi encontrado que a qualidade microestrutural das cerâmicas tais como: densidade, a regularidade e a composição química dos grãos das cerâmicas depende muito da técnica de processamento. Estes elementos cerâmicos termoelétricos poderão ser usados como fonte de energia em Geradores de Potência Termoelétrica a Radioisótopos (GTR) mais especificamente na alimentação de satélites brasileiros fabricados pelo Centro Técnico Aeroespacial (CTA) junto com o Instituto de Estudos Avançados (IEAv) através da Divisão de Energia Nuclear (IEAv-ENU) deste Instituto, ou entre outras aplicações para fins militares e civil.

Doped ceramics elements, prepared from Si-Ge alloy are used in Radioisotopic Thermoelectric Generators (GTR) for energy conversion by thermoelectrical effects. In this research the experimentals conditions to prepare thermoeletric ceramics from Silicon-Germanium alloys have been determined. The purpose was to get the best efficiency, by optimization of the "Merit Figure" (or "Ioffe Number"), using different preparation methods and thermal treatments of alloys, as well as the doping of these ceramics. Silicon-Gemanium alloys (Si80Ge20), have been grown by the Czochralski technique under applied eletric field (ECZ), as well as by others fusion techniques for comparison. After the fusion of the alloy, samples with satisfactory homogeneity have been smashed and milled for ceramic processing. Powder of Si-Ge alloy was then heavely doped by mixing with amorphous boron powder and pressed to get type-P semiconductor thermoelectrical ceramics elements, at high temperatures (1000ºC). The sintering was made by three differents techniques: PIES method (Pulverized and Intermixed Elements of Sintering), convencional ceramic processing, and Hot-Pressing sintering, for comparison. The samples have been analyzed and characterized by conventional ceramics technique such as: determination of density, grain size, porosity, surface area, etc. and measuring too some physical parameters that affect directly the thermoelectrical efficiency such as: Seebeck coefficient, specific heat and lattice parameter to Silicon-Germanium alloys with nominal composition Si80Ge20 with or without dopings to type-P semiconductors. A sample prepared by General Electric Company using the Hot-Pressing technique was used as standard. The alloy grown by ECZ technique showed a good homogeneity. It was found that the microstructural quality of the ceramics such as: density, grains regularity and chemical composition of the ceramics depend of the ceramic processing technique. These thermoelectrical elements can be used as power supply for the Brazilian satellites made by the Centro Técnico Aeroespacial (CTA) together with the Instituto de Estudos Avançados (IEAv) through the Divisão de Engenharia Nuclear (ENU), and among other applications for military and civil purposes.