Étude d’alliages à base de CoSi et de composites à base de polymères pour la thermoélectricité

La récupération de chaleur perdue lors des procédés industriels grâce à la thermoélectricité peut contribuer au développement des économies d'énergie. Pour une plus large diffusion des convertisseurs thermoélectriques, le facteur de mérite ZT n'est pas le seul critère à prendre en compte ; le coût et l'éco-compatibilité des éléments utilisés, la facilité de synthèse et de mise en forme sont des aspects également importants. Deux familles de matériaux, encore peu présentes dans la littérature, répondent assez bien à toutes ces exigences : les siliciures et les composites. Nous nous sommes intéressés au siliciure de cobalt CoSi, ainsi que aux alliages et aux composites obtenus à partir de cette phase.Nous avons tout d'abord étudié la nanostructuration. La fusion à arc suivie d'un broyage mécanique ou la mécanosynthèse ont permis de synthétiser des cristallites de CoSi avec une taille de 13 nm. Ces poudres présentent une bonne stabilité chimique et un grossissement de grain limité jusqu'à 400 °C. Pour des températures plus élevées, une croissance cristalline importante s'accompagne d'une perte de silicium et de la formation de Co2Si. La nanostructuration diminue la conductivité thermique de CoSi de 35% par rapport au matériau massif. Le facteur de mérite ZT=0,15 obtenu à une température T=300 °C est supérieur à celui de CoSi synthétisé par four à arc mais légèrement inférieures à celui d'un monocristal.Différents éléments ont été envisagés pour former des alliages avec CoSi sur la base de considérations pratiques ainsi que sur les résultats de calculs ab initio. Certains se sont montrés insolubles dans CoSi (Ca, Zr, Nb, Mo, Sn, Ta, W et Pb), d'autres très peu solubles (Ti, V ou Cu). Des solutions solides de composition Co0,85Cr0,15Si, Co0,90Mn0,10Si et CoSi0,92Zn0,08 ont aussi été synthétisées, mais le facteur de puissance des deux premières est inférieure à celui de CoSi.Nous avons comparé trois polymères intrinsèquement conducteurs et commercialement disponibles : la polyaniline (PANI), le polypyrrole (PPy) et le polyéthylène(3,4dioxythiophéne) dopé avec le polystyrène sulfonate (PEDOT:PSS). Pour former des composites contenants l'alliage Co0.85Fe0.15Si, le PPy s'est avéré être le polymère le plus adapté. Le meilleur facteur de puissance PF=2,5 μW/m⋅K2 a été obtenu avec une fraction volumique de polymère ϕ=10%, toutefois la tenue mécanique pour cette composition est limitée. Les performances de ces composites sont toujours inférieures à celles de la phase la plus performante ; l'intérêt de ces matériaux réside donc surtout dans leur grande facilité de mise en forme.