Alliages à haute entropie pour applications thermoélectriques

Introduction

Les alliages à haute entropie (HEA) sont récemment apparus comme des matériaux prometteurs pour les applications thermoélectriques à haute température en raison de leurs propriétés uniques. Voici quelques avantages de l'utilisation des alliages à haute entropie pour les applications thermoélectriques. Nous espérons que vous comprendrez mieux les caractéristiques et les applications des alliages à haute entropie.

Qu'est-ce qu'un alliage à haute entropie ?

Un alliage àhaute entropie est un type d'alliage contenant au moins cinq éléments, dont les proportions sont égales ou approximativement égales. Par rapport aux alliages traditionnels, ils n'ont pas un seul élément de base, mais sont constitués de plusieurs éléments principaux. Cette composition unique entraîne une structure désordonnée, une entropie élevée et, surtout, des propriétés et des applications exceptionnelles.

Les HEA se distinguent par leurs propriétés uniques et impressionnantes que les alliages conventionnels ne possèdent pas. Ces caractéristiques comprennent une résistance élevée, une grande ductilité, une conductivité électrique élevée et une stabilité thermique supérieure. Ces alliages possèdent également une excellente résistance à l'usure et à la corrosion, ainsi que des propriétés à haute température, ce qui en fait des matériaux idéaux pour les environnements difficiles.

[1]

Figure 1. Exemples d'alliages à haute entropie

Grâce à ces propriétés structurelles et fonctionnelles, les alliages à haute entropie ont de nombreuses applications, notamment dans les domaines de l'aérospatiale, de l'automobile et de la biomédecine. Cet article va explorer les alliages à haute entropie utilisés pour les applications thermoélectriques en particulier.

Que sont les matériaux thermoélectriques ?

La popularité de la technologie thermoélectrique (TE) augmente rapidement à mesure que la demande d'énergie s'accroît. D'une part, une grande quantité d'énergie renouvelable est utilisée pour répondre à la demande croissante d'énergie. D'autre part, la technologie TE est une option attrayante car elle peut utiliser l'énergie de la chaleur perdue. Les matériaux TE sont également de petite taille et peuvent être appliqués au refroidissement à l'état solide, à l'électronique portable et à porter sur soi, etc.

Une large gamme de matériaux avancés est utilisée pour la conversion directe de l'énergie thermique perdue en énergie électrique dans la technologie TE. Les matériaux thermoélectriques courants sont le Zintl, le Heusler, le SiGe, le MgSi, les clathrates et le CoSb3-Ba. Le Pb(Te, Se, S)-SeTe, le SiGe et les skutterudites sont également utiles[2]. Cependant, divers alliages à haute entropie apparaissent comme de nouveaux matériaux TE de pointe avec des propriétés à haute température[3].

[3]

Figure 2. Exemples de matériaux TE

Pourquoi les alliages à haute entropie sont-ils adaptés aux applications thermoélectriques ?

Les alliages à haute entropie conviennent parfaitement aux applications thermoélectriques pour les caractéristiques suivantes.

--Stabilité thermique élevée

Tout d'abord, ils présentent une grande stabilité thermique en raison de leur entropie configurationnelle élevée, qui se traduit par une distribution aléatoire des atomes. Cette structure désordonnée réduit l'apparition de transformations de phase, même à des températures élevées, ce qui fait des HEA d'excellents matériaux pour les applications thermoélectriques.

--Conductivité thermique élevée

Deuxièmement, leur nature métallique détermine leur conductivité thermique élevée, qui se traduit par une grande mobilité des électrons et une faible résistance au flux de chaleur. Cela fait des HEA d'excellents matériaux pour les applications thermoélectriques, car une conductivité thermique élevée est souhaitée pour améliorer l'efficacité du transfert de chaleur dans les applications thermoélectriques.

--Conductivité électrique élevée

Outre leurs propriétés thermiques, les HEA présentent une conductivité électrique élevée, qui permet de convertir efficacement la chaleur en électricité. Par conséquent, les HEA constituent un excellent choix pour la production d'énergie thermoélectrique.

--Faible coefficient de dilatation thermique

Les HEA ont un faible coefficient de dilatation thermique en raison de leur arrangement atomique aléatoire. Cela réduit la probabilité d'une contrainte ou d'une déformation thermique, ce qui fait des HEA d'excellents matériaux pour les applications thermoélectriques.

--Propriétés mécaniques améliorées

En outre, la structure désordonnée permet d'améliorer les propriétés mécaniques des HEA, telles qu'une résistance et une ductilité élevées. Ces caractéristiques mécaniques font des HEA d'excellents matériaux pour les applications thermoélectriques à haute température, car les matériaux à haute résistance et ductilité sont nécessaires pour résister à des conditions de fonctionnement difficiles.

Conclusion

En un mot, les HEA offrent de nombreux avantages pour les applications thermoélectriques, notamment une grande stabilité thermique, une conductivité thermique et électrique élevée, un faible coefficient de dilatation thermique et des propriétés mécaniques améliorées. Ces propriétés uniques font des HEA une alternative prometteuse aux matériaux TE traditionnels et pourraient conduire au développement de dispositifs thermoélectriques plus efficaces et plus durables.

Stanford Advanced Materials (SAM) est un fournisseur fiable d'alliages à haute entropie. Il existe de nombreux AHE de qualité utilisés pour les applications thermoélectriques, l'impression 3D, etc. Des HEA de différentes formes sont également disponibles. Envoyez-nous une demande si vous êtes intéressé.

Référence :

[1] Saro San, Yang Tong, Hongbin Bei, Boopathy Kombaiah, Yanwen Zhang, Wai-Yim Ching, First-principles calculation of lattice distortions in four single phase high entropy alloys with experimental validation, Materials & Design, Volume 209, 2021, 110071, ISSN 0264-1275, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110071.

[2] Shafeie, Samrand & Guo, Sheng. (2020). Avantages de la sélection et de l'utilisation d'alliages à haute entropie pour les applications thermoélectriques à haute température. 10.1201/9780367374426-16.

[3] Zeng, Minxiang & Zavanelli, Duncan & Chen, Jiahao & Saeidi-Javash, Mortaza & Du, Yipu & LeBlanc, Saniya & Snyder, G. & Zhang, Yanliang. (2021). Printing thermoelectric inks toward next-generation energy and thermal devices. Chemical Society Reviews. 51. 10.1039/D1CS00490E.