Les matériaux thermoélectriques convertissent la chaleur en électricité ou vice versa. Cependant, leur application à la récupération de la chaleur résiduelle est limitée par les défis de la fabrication et des matériaux. Trouver des moyens rentables de couvrir de grandes surfaces potentiellement complexes est resté un problème, mais il est crucial de tirer parti des sources de chaleur perdue.

Les scientifiques des matériaux du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) ont utilisé une technique de fabrication additive, appelé dépôt par pulvérisation à froid, créer des générateurs thermoélectriques capables de récupérer la chaleur résiduelle de sources auparavant inaccessibles, tels que les tuyaux aux géométries complexes. Les générateurs affichent de bonnes performances sur une large plage de températures.

La chaleur résiduelle est une énorme ressource inexploitée. Treize quadrillions de BTU d'énergie sont perdus chaque année à cause de la chaleur résiduelle par l'industrie américaine. Un BTU, ou British Thermal Unit, est une unité de mesure de l'énergie; 3, 600 BTU équivaut à environ 1 kilowattheure.

Mais seuls trois quads de BTU sont récupérés et mis au travail grâce à la co-localisation des processus, récupération d'énergie par chaudières et récupération thermoélectrique. L'un des défis de la récupération de l'énergie consiste à concevoir un générateur capable de récupérer efficacement la chaleur. Pour qu'un matériau thermoélectrique soit efficace, il doit convertir le gradient de température en tension. Il nécessite également une conductivité électrique élevée, mais faible conductivité thermique.

Dans la nouvelle recherche, apparaissant dans le Journal des Minéraux, Société des métaux et matériaux ( JOM ), l'équipe a pulvérisé à froid une poudre de tellurure de bismuth sur des substrats allant de l'acier inoxydable au silicate d'aluminium et au quartz. Le matériau pulvérisé avait une microstructure orientée de manière aléatoire en grande partie exempte de pores et le dépôt par pulvérisation à froid a été réalisé sans changements de composition substantiels.

"Ces résultats démontrent la puissance et la polyvalence de la fabrication additive par pulvérisation à froid et ouvrent la voie à la fabrication de générateurs thermoélectriques dans des géométries complexes inaccessibles aux générateurs fabriqués par des approches traditionnelles, " a déclaré Alex Baker, physicien des matériaux du LLNL, auteur principal de l'article.

Le dépôt de revêtements par pulvérisation à froid est largement utilisé dans l'industrie pour les revêtements résistants à la corrosion, fonctionnalisation de surface et réparation localisée. Dans cette technique, des particules métalliques à l'échelle du micron sont entraînées dans un gaz supersonique et dirigées sur une surface métallique. Lors de l'impact, les particules se déforment plastiquement et se lient à la surface ou entre elles.

La pulvérisation à froid a généralement été limitée aux matériaux malléables, ce qui le rend bien adapté pour les éléments structurels et les alliages, mais n'est pas bien équipé pour les matériaux fonctionnels, qui sont généralement cassants. En collaboration avec le partenaire industriel TTEC Thermoelectric Technologies, LLNL travaille à étendre la gamme de matériaux pouvant être pulvérisés à froid dans le cadre du programme Technology Commercialization Funds (TCF) financé par le ministère de l'Énergie.

« La pulvérisation à froid fonctionne à des températures relativement basses, sous le point de fusion de la plupart des matériaux fonctionnels, il est donc intéressant d'envisager la possibilité d'une technique de fabrication additive qui préserve la microstructure sur mesure qui pilote les propriétés fonctionnelles, " dit Boulanger.

Les générateurs thermoélectriques (TEG) n'ont pas de pièces mobiles, ne sont pas basés sur des réactions chimiques et ont une longue durée de vie sans besoin de maintenance, ce qui en fait d'excellents candidats pour les sources d'alimentation sur des emplacements éloignés ou inaccessibles. À ce jour, l'adoption de TEG pour récupérer la chaleur résiduelle a été limitée, en partie à cause de la difficulté de fabriquer des pièces qui établissent un contact thermique intime avec les ailettes de refroidissement ou rayonnées par les tuyaux de transfert.

L'équipe a conclu que le dépôt par pulvérisation à froid peut fabriquer des morceaux en vrac de tellurure de bismuth thermoélectrique sur une grande variété de substrats, sans perte d'intégrité structurelle, démontrant que la pulvérisation à froid est une alternative viable aux approches de fabrication traditionnelles pour les matériaux thermoélectriques.

"L'un de nos objectifs est d'apporter cette technologie à LLNL, où il peut être appliqué à un large éventail de problèmes de fabrication additive, " dit Harry Radousky, Chercheur principal du TCF.