Sintesi e caratterizzazione di leghe Half-Hausler TixZr1-xNiSn (x=0,0.2,1) per applicazioni termoelettriche

Nella maggior parte dei processi industriali si ha la produzione di calore disperso, con la conseguente riduzione dell'efficienza energetica. La tecnologia termoelettrica, che si basa su materiali semiconduttori altamente drogati, è particolarmente promettente ai fini della conversione di energia termica di scarto in energia elettrica utile. Nei materiali termoelettrici, quando inseriti in un gradiente di temperatura, i portatori di carica (elettroni o lacune) migrano dal lato più caldo a quello più freddo generando così una differenza di potenziale elettrico (effetto Seebeck). I dispositivi termoelettrici sfruttano questo principio collegando termicamente in parallelo ed elettricamente in serie una coppia di semiconduttori p ed n. L'efficienza del fenomeno termoelettrico dipende dalla figura di merito adimensionale ZT=(α^2 σT)/(k_el+k_ph ), in cui α è il coefficiente di Seebeck, σ è la conducibilità elettrica, kel e kph sono rispettivamente i contributi elettronico e fononico della conducibilità termica (k). In questo campo, le leghe Half-Heusler ABX (A e B sono metalli di transizione dei primi (A) e ultimi (B) gruppi, e X un elemento dei gruppi IV o V) hanno mostrato risultati interessanti possedendo alti coefficienti di Seebeck e alta conducibilità elettrica. Tuttavia, l'inconveniente principale è rappresentato dall'elevata conducibilità termica (k), che abbassa il valore di ZT. Come strategia per aumentare lo scattering fononico e raggiungere valori di ZT più elevati si cerca di ridurre la conducibilità termica reticolare attraverso la presenza di difetti puntuali o bordi di grano. In questo lavoro ci si è focalizzati sul processo di rapida solidificazione delle leghe Half-Heusler di tipo n (TixZr1-xNiSn) con i seguenti obiettivi: Affinamento della microstruttura, in maniera da aumentare lo scattering fononico ai bordi di grano e di conseguenza diminuire la conducibilità termica del reticolo. Ottimizzazione del processo di sintesi della fase TiNiSn, evitando la solidificazione primaria della fase Full-Heusler TiNi2Sn che si forma durante il raffreddamento lento della lega. Sintesi di una soluzione supersatura di (Ti,Zr)NiSn a partire dalla quale ottenere una nanoseparazione delle due fasi Half-Heusler di equilibrio (una ricca in Ti, l'altra in Zr) con lo scopo di ridurre ulteriormente la conducibilità termica. Le leghe TiNiSn, ZrNiSn e Ti0,2Zr0,8NiSn sono state sintetizzate in un forno ad arco in atmosfera inerte (Ar), e successivamente nastri rapidamente solidificati sono stati ottenuti mediante Planar Flow Casting (PFC). Per la caratterizzazione si sono usate la microscopia a scansione elettronica (SEM) e la diffrazione a raggi X, che hanno evidenziato la presenza nelle leghe madri di più fasi: 4 in TiNiSn, 3 in Ti0,2Zr0, e 2 in ZrNiSn. Le singole fasi possono essere ottenute attraverso lunghi periodi di ricottura. Dopo il processo di PFC (con velocità della ruota di 10 m/s) si sono ottenute 3 fasi in TiNiSn, 3 in Ti0,2Zr0,8NiSn e si raggiunge la monofasicità in ZrNiSn. Nel caso di TiNiSn, l'aumento della velocità della ruota (10, 20, 30 m/s) incrementa la quantità di fase Half-Heusler ottenuta (circa 82%, 88% e 95% rispettivamente) in seguito alla progressiva stabilizzazione del liquido sottoraffreddato in condizioni di non equilibrio. Infine per ottenere un campione massivo utilizzabile per le misure termoelettriche, i nastri velocemente solidificati di TiNiSn sono stati polverizzati e sinterizzati.