Sintesi e caratterizzazione di Leghe Heusler a base di cobalto per applicazioni termoelettriche

Nowadays the researchers are studying ways to improve energetic efficiency: thanks to their intrinsic properties, thermoelectric devices are able to convert potentially dispersed heat into electricity. This work describes synthesis and characterization of alloys based on cobalt, with structure Co2XY, (X= Zr,Hf. Y=Sn,Al). This thesis firstly describes the physical quantities which rules thermoelectric phenomena, that are Seebeck coefficient (defined as S=dV/dT, where dV is the potential difference and dT is the temperature gradient), electrical conductivity s and thermal conductivity k, followed by a generic view on compounds used in thermoelectric devices, with a focus on Heusler alloys. Subsequently the sperimental part is described in which bulk samples were synthetised by arc-melting from pure elements, afterwards they have been melted again with melt-spinning technique and new material was obtained. Structural and microstructural characterizations were performed by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersion spectroscopy (EDS). Moreover differential scanning calorimetry is used to determine both fusion and crystallization temperatures of different phases in the samples. The rapid solidification process induces the refining of the microstructure if compared to bulk samples, that suggest an increase of the phonon scattering and the consequently decrease of the thermal conductivity. Lastly the material generated from melt-spinning has been sintered using SPS technique and characterized from the perspective of thermoelectrical properties: Co2HfSn and Co2ZrSn have a value of power factor (PF = s*S^2) respectively of 0.61 mW/m*K2 at 636 K e 0.42 mW/m*K2 at 618 K.

Al giorno d’oggi è più che mai vivo l’interesse verso il miglioramento dell’efficienza energetica: i dispositivi termoelettrici, grazie alle loro proprietà intrinseche, sono in grado di convertire il calore che potenzialmente andrebbe disperso nell’ambiente in una differenza di potenziale elettrico. Questo studio descrive la sintesi e la caratterizzazione di leghe Heusler a base di cobalto aventi formula di struttura Co2XY, (X= Zr,Hf. Y=Sn,Al). All’interno di questa tesi di laurea si riporta una parte introduttiva con la descrizione delle grandezze fisiche che governano i fenomeni termoelettrici, ossia il coefficiente di Seebeck (definito come S= dV/dT, dove dV rappresenta la differenza di potenziale elettrico e dT la differenza di temperatura), la conducibilità elettrica s e la conducibilità termica k, seguiti da una panoramica sui composti impiegati per applicazioni termoelettriche, con particolare riferimento alle strutture Heusler. Successivamente si riporta la parte sperimentale del lavoro in cui le leghe sono state sintetizzate a partire da elementi puri tramite forno ad arco elettrico, per poi subire un processo di rapida solidificazione tramite melt-spinning. Si descrive lo studio della struttura e della microstruttura dei composti tramite diffrazione a raggi X (XRD), microscopia elettronica a scansione (SEM) e spettroscopia a dispersione di energia (EDS). Si riportano inoltre analisi calorimetriche condotte per determinare temperature di fusione e di cristallizzazione delle fasi presenti nelle leghe. La rapida solidificazione induce un affinamento della microstruttura rispetto alle leghe ottenute mediante forno ad arco, suggerendo un aumento dello scattering fononico e la conseguente diminuzione della conducibilità termica. Il materiale ottenuto da melt-spinning è stato successivamente sinterizzato mediante SPS e caratterizzato dal punto di vista delle proprietà termoelettriche: Co2HfSn e Co2ZrSn hanno fatto registrare un Power Factor (PF = s*S^2) massimo rispettivamente di 0.61 mW/m*K2 a 636 K e 0.42 mW/m*K2 a 618 K.