Towards high performance bulk thermoelectric materials with enhanced mechanical properties by Severe Plastic Deformation (SPD)

Resumen

Actualmente una de las estrategias más eficaces para procesar materiales termoeléctricos eficientes se basa en introducir defectos cristalinos a diferentes escalas. Es bien sabido que los fonones se dispersan efectivamente mediante defectos tales como las juntas de grano, partículas de segundas fases o defectos puntuales, lo que conlleva una reducción significativa de la conductividad térmica. En el caso de lo los materiales altamente anisótropos, como las aleaciones basadas en Bi2Te3, además de generar estructuras nanométricas es de vital importancia controlar la textura cristalográfica del compuesto ya que las propiedades termoeléctricas son óptimas únicamente en su plano basal. Hasta la fecha no se han obtenido materiales nanocristalinos preferentemente orientados mediante las técnicas de pulvimetalurgia convencionales. Este trabajo presenta una técnica novedosa que permite procesar materiales termoeléctricos de grano ultrafino y altamente texturizados basados en Bi2Te3. La deformación plástica severa (SPD) inducida mediante la torsión bajo alta presión (HPT) permite producir muestras en forma de disco totalmente densas, fuertemente texturizadas (con el plano basal preferentemente orientado perpendicular al eje de torsión) y nanoestructuradas (con un tamaño de grano homogéneo del orden de 100 nm). Debido a la fuerte textura cristalográfica y grano ultrafino obtenidos mediante HPT, tras HPT se mejoran notablemente las propiedades termoeléctricas de los compuestos basados en Bi2Te3. En el caso del compuesto Sb1.6Bi0.4Te3, por ejemplo, se logró una figura de mérito ZTRA (obtenida tras medir el factor de potencia (PF) en el plano y la conductividad térmica (κ)a lo largo del eje axial) de ~2 a 425 K. Además el compuesto muestra un buen rendimiento termoeléctrico en un amplio rango de temperatura. El procesamiento mediante HPT incrementa la dureza y la resistencia a compresión de las muestras, sin embargo la fuerte textura cristalográfica afecta negativamente a la resistencia a flexión. Por último, también se han procesado satisfactoriamente muestras de PbTe puras mediante HPT. Los resultados confirman que el procesamiento mediante HPT es una alternativa viable a la sinterización activada por plasma (SPS), la cual permite fabricar compuestos basados en PbTe que contienen defectos o segundas fases desde la escala atómica hasta la meso-escala.