Proprietà meccaniche e giunzioni della lega Zn4Sb3 per moduli termoelettrici

In this work, we have considered the thermo-electric alloy Zn4Sb3, focusing our attention on two main aspects, that is, the study of the mechanical properties and of the operational conditions for the realization of junctions for the design of thermo-electrical modules. The alloy has been synthesized with the usage of two different synthesis paths: in the first one the original Zn and Sb ingot was subjected to Melt Spinning, pouring the molten ore on a moving wheel that transforms it into a tape which is afterward crushed and bunched; the second path does not foresee the Melt Spinning passage. Indentation tests are carried out on all the samples, also to verify if there is a relationship, if so which one it is, between the properties analysed and the synthesis method. These tests are selected to be able to make the Kc parameter calculation, that is the Fracture Toughness and their hardness. Following the indentations, some cracks form on the surface of the metal, resulting to be of the Palmqvist type. Some of them are very regular and symmetric, others very irregular and jagged; only the ones of the first type can be used for the calculation of Kc. As regards the aspect relative to the junction, junction realized by brazing which is a technique affording to maintain intact the metal flaps of the same by putting them in contact with a brazing alloy that has a lower fusion temperature and that while it melts it acts as a gluing factor. In this case several brazing alloys have been used and considering that the phase in which the thermo-electrical to be used is is stable up to 490°C, it becomes apparent that they must have a lower fusion temperature. Four brazing alloys have been selected, they are: Ge 28,4 Al 71,6, Zn 78 Al 22, (% atomic) the synthesis of which was performed in the lab and the commercial Zn 85Al 15 containing some deoxidizer, Zn 87,5 Al 5 Si 7,5 (% in weight). The brazing was performed with an induction furnace and two copper blocks were brazed using two different methods. In the first case a small quartz melting pot was used, the two copper blocks were put in it with the brazing alloy in the middle, and a piece of metal atop it to exercise the necessary pressure to have copper and brazing medium adhere better. In the second case a larger diameter quartz melting pot was used and in it a steel melting pot closed at its ends by plugs containing the copper blocks, the brazing medium and a spring. In both cases the measurements were performed by inserting Ar to avoid oxidization of the sample. During the various tests we tried to optimize parameters such as: temperature, brazing time and pressure in the attempt to obtain a better junction. The various junctions obtained were cut and prepared for observation through SEM which affords the observation of the braze in its entirety, of the various interesting details, and by using the EDS allows the understanding of the elements therein contained and the visualization of their arrangement. Doing a mapping of the braze it is possible to understand if and how the elements contained in the brazing medium spread to the interior of the copper block and vice versa.

In questo lavoro si è presa in considerazione la lega termoelettrica Zn4Sb3 e ci si è concentrati su due aspetti principali ossia lo studio delle proprietà meccaniche e delle condizioni operative per la realizzazione di giunzioni per la progettazione di moduli termoelettrici. La lega è stata sintetizzata utilizzando due percorsi di sintesi differenti: nel primo caso il lingotto originario di Zn e Sb è stato sottoposto a Melt Spinning, viene poi frantumato e ricompattato; il secondo percorso non prevede il passaggio attraverso Melt Spinning. Vengono effettate le prove di indentazione su tutti i campioni anche per verificare se e quale sia la relazione tra le proprietà analizzate ed il metodo di sintesi. Queste prove vengono selezionate per poter effettuare il calcolo del parametro Kc ovvero la tenacità a frattura e la lodo durezza. A seguito delle indentazioni sulla superficie del metallo si formano delle cricche che risultano essere di tipo Palmqvist. Se ne trovano alcune molto regolari e simmetriche altre molto irregolari e frastagliate, solamente quelle del primo tipo possono essere utilizzate per il calcolo della Kc. Per quanto concerne l'aspetto relativo alla giunzione essa viene effettuata con l'utilizzo della brasatura, tecnica che permette di mantenere i lembi metallici della giunzione intatti mettendoli a contatto con una lega brasante che possiede una temperatura di fusione inferiore e fondendo svolge la funzione di collante. In questo caso sono state utilizzate diverse leghe brasanti scelte tenendo conto del fatto che la fase nella quale si trova il termoelettrico da utilizzare è stabile fino a 490°C e che, di conseguenza, devono avere una temperatura di fusione inferiore. Sono state selezionate quattro leghe per brasatura che sono: Ge 28,4 Al 71,6, Zn 78 Al 22, (% atomiche) delle quali si è effettuata la sintesi in laboratorio e quelle commerciali Zn 85Al 15 contenente del disossidante, Zn 87,5 Al 5 Si 7,5 (% in peso). La brasatura è stata realizzata con un forno ad induzione si sono brasati due blocchi di rame utilizzando due metodi differenti. Nel primo caso si è utilizzato un crogiolo di quarzo piccolo si sono posizionati al suo interno i due blocchi di rame con in mezzo la lega brasante ed un pezzo di metallo sopra per esercitare la pressione necessaria per fare aderire meglio rame e brasante. Nel secondo caso si utilizza un crogiolo di quarzo con diametro maggiore ed al suo interno un crogiolo di acciaio chiuso alle estremità con dei tappi contenente i blocchi di rame, il brasante ed una molla. In entrambe i casi le misure vengono effettuate in Ar in modo tale da evitare l'ossidazione del campione. Nel corso delle varie prove si è cercato di ottimizzare parametri quali: temperatura, tempo di brasatura e pressione per cercare di ottenere una giunzione migliore. Le varie giunzioni ottenute sono state sezionate e preparate per l'osservazione al SEM che permette l'osservazione della brasatura nel suo complesso, nei vari dettagli interessanti e mediante l'analisi EDS permette di comprendere quali siano gli elementi contenuti e visualizzarne la distribuzione. Effettuando una mappatura della brasatura è possibile capire se e come diffondo gli elementi contenuti nel brasante all'interno del blocco di rame e viceversa.