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Radingoana, Precious Manti. Densification et caractérisation microstructurale de céramiques à base de ZnO obtenues par frittage SPS pour application thermoélectrique

Radingoana, Precious Manti (2019). Densification et caractérisation microstructurale de céramiques à base de ZnO obtenues par frittage SPS pour application thermoélectrique.

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Résumé en francais

L'application thermoélectrique de ZnO est limitée en raison de sa conductivité thermique élevée. Cette étude porte sur la synthèse et le frittage flash de matériaux composites d'oxyde de zinc afin d'obtenir des propriétés thermoélectriques intéressantes. Une poudre de ZnO pure et dopée à l'Al (2%) a été synthétisée par co-précipitation suivie d'une calcination. En outre, la poudre de ZnO dopée à l'aluminium synthétisée a été mélangée à une poudre de polyaniline (PANI) à des concentrations de 0,75, 5 et 9% en poids de PANI. Les poudres ont été frittées à l'aide du Dr Sinter 2080 à différents paramètres : température (250-900°C), pression (100-250MPa), atmosphère de frittage (air et vide), application au point de pression, temps de maintien et isolation du courant. La densification et les propriétés de microstructure de céramiques à l'oxyde de zinc pur utilisant le frittage SPS ont été étudiées avec succès. Il a été démontré que le frittage SPS conduit à des densités élevées, indépendamment de la poudre de départ. Les céramiques préparées à partir de poudre de ZnO synthétisée et commerciale peuvent être hautement densifiées à plus de 99% à une température aussi basse que 600°C. Les atmosphères de frittage (air et vide) et le courant électrique (avec ou sans) n'ont pas affecté la densification. Cependant, une différence de taille de grains de 7,8 µm a été observée lors du frittage avec ou sans courant. Un moyen de contrôle de la densification et de la taille des grains de la céramique ZnO obtenue par frittage flash de poudres séchées a été mis au point. Le recuit à 600 °C n'a pas eu d'effet significatif sur la microstructure des céramiques au ZnO, mais a modifié la stoechiométrie de l'oxygène, la résistivité des céramiques au ZnO pur étant augmentée de deux ordres de grandeur. Les céramiques frittées préparées à partir de poudres synthétisées présentent les meilleures performances (par rapport aux céramiques recuites) avec un coefficient ZT de 8x10-3 à 500°C en raison de leur faible résistivité électrique et de leur coefficient Seebeck élevé. La conductivité thermique et la résistivité électrique élevées de la céramique de ZnO pure ont été améliorées par dopage avec 2% atomique en aluminium, la taille des grains étant réduite de 177 à 75 nm. La densité relative maximale de 98,9% a été atteinte à une température de 650 °C et à une pression de 250 MPa. La taille des grains de la céramique frittée a été réduite de 5,4 µm à <1 µm. Des phases secondaires, ZnAl2O4 et Al2O3, sont formées en raison d'un excès d'Al lorsque la pression axiale a été appliquée à la température ambiante et à des températures supérieures à 650 °C. Les céramiques de ZnO dopées à l'aluminium ont une résistivité légèrement réduite, ce qui a entraîné une diminution du coefficient de Seebeck absolu en raison de l'augmentation de la concentration en porteurs. La réduction de la taille des grains conduit à une diminution de la conductivité thermique due à la diffusion de phonons aux limites des grains. En conséquence, un ZT de 1,5 x 10-3 est obtenu à 500 °C. L'influence de PANI dispersée dans des céramiques au ZnO dopé à l'aluminium a été étudiée. En utilisant le SPS, des densifications élevées de 98,5% et 97,3% ont été obtenues à une température aussi basse que 250°C pour 5% et 9% en masse de PANI, respectivement. En conséquence, la nanostructure de la céramique a été maintenue. L'incorporation de PANI dans des céramiques au ZnO dopé à l'aluminium a réduit la conductivité thermique à moins de 6 W/mK . La résistivité était également légèrement améliorée avec le maintien d'un coefficient de Seebeck élevé. Un ZT maximal de 0,8 x 10-3 a été atteint à 190 °C avec 9% en masse de PANI, contre 0,06 x 10-3 pour 0% en masse de PANI. Cette étude a ouvert des perspectives de développement de composites polymères à base de ZnO à basse température en utilisant le frittage flash.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Guillemet-Fritsch, Sophie
Estournès, Claude
Ecole doctorale:Sciences de la matière (SdM)
laboratoire/Unité de recherche :Centre Interuniversitaire de Recherche et d'Ingénierie des MATériaux (CIRIMAT), UMR 5085
Mots-clés libres :ZnO - Frittage flash - Thermoélectricité - Céramiques - Polymères - Polyaniline - Aluminium
Sujets :Sciences des matériaux
Déposé le :20 Nov 2020 12:50