LogoLogo

Mejri, Mahdi. Caractérisation des propriétés thermomécaniques de matériaux utilisés pour la fabrication de modules thermo-électriques et modélisation par éléments finis de leur comportement en usage

Mejri, Mahdi (2020). Caractérisation des propriétés thermomécaniques de matériaux utilisés pour la fabrication de modules thermo-électriques et modélisation par éléments finis de leur comportement en usage.

[img]PDF (Accès restreint. S'adresser à l'accueil de la BU Sciences de Toulouse) - Accès intranet - nécessite un logiciel de visualisation PDF comme GSview, Xpdf or Adobe Acrobat Reader
7Mb

Résumé en francais

Les modules thermoélectriques (MTE) convertissant l'énergie thermique en électricité sont composés de paires de matériaux semi-conducteurs dopés n et p (jambes) reliés entre eux électriquement en série et thermiquement en parallèle. Outre leurs performances thermoélectriques, la défaillance du MTE causée par la fatigue thermique (isotherme et cyclique) doit également faire l'objet d'une attention particulière. C'est notamment le cas pour la zone chaude des MTE où l'interdiffusion et la dégradation des matériaux sont les plus fréquentes. Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet RELIATEG financé par l'Agence Nationale de la Recherche, qui vise à fiabiliser des MTE, à base de siliciures (Mg_2(Si,Sn) et MnSi_1,77), produits par la société Hot-Block OnBoard. L'étude préalable menée par le CEA LITEN a révélé les limites d'utilisation de ces MTE. Si ils résistent bien sous air ambiant à une température côté chaud de 250°C, en revanche à 350°C un phénomène de dégradation de type "pesting" apparaît sur les jambes n entraînant la défaillance totale des modules. Un travail d'optimisation des traitements thermiques de Mg_2Si_0,6Sn_0,4 réalisés à 500°C et 750°C, ont révélés la séparation du matériau en deux phases (riche en Sn et riche en Si) de paramètres de mailles distincts, accompagnée par un gonflement du matériau avec apparition de porosité par effet Kirkendall. Un recuit de 3 heures à 750°C est nécessaire pour atteindre sa stabilité thermique. Les propriétés mécaniques macroscopiques et locales au niveau des grains des matériaux n et p ont été déterminées. La dureté et le module d'élasticité de chacun d'eux ont été mesurées par nanoindentation. Dans le cas de Mn_15Si_26, la diffraction d'électrons rétrodiffusés a permis de corréler l'orientation cristallographique des grains et leurs propriétés mécaniques locales. La matrice des constantes d'élasticité ainsi extraite et simulée à l'aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité révèlent une forte anisotropie mécanique de la phase Mn_15Si_26. Les contraintes résiduelles au sein de MTE ont été déterminées par diffraction du rayonnement synchrotron à haute énergie. Les résultats montrent que la formation d'une couche de MgO et de diffusion MgAg à l'interface électrode/brasure augmentent le niveau des déformations dans cette zone du fait de leur incompatibilité mécanique. Des simulations par éléments finis confirment la concentration de contraintes au niveau des interfaces chaudes.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Estournès, Claude
Malard, Benoit
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 :Fiabilité - Module thermoélectrique - Pesting - Siliciures - Contraintes résiduelles - Stabilité thermique - Modélisation numérique
Sujets :Sciences des matériaux
Déposé le :29 Sep 2021 14:53