Projet ANR-15-CE05-0013 – NanoCerTex : Céramiques thermoélectriques texturées par frittage flash de nanofibres mises en forme par electrospinning
Programme : Captage des énergies renouvelables et récupération des énergies de l’environnement (DS0202) 2015
Année de financement : 2015
Coordinateur du projet : Monsieur Damien Bregiroux (Laboratoire de Chimie de la Matière Condensée de Paris)
Montant : 200928.0 euros
Date de début : 2015
Durée : 42 mois
Résumé : De nos jours, les céramiques nanostructurées connaissent un engouement croissant dans le but de développer des matériaux présentant des propriétés nouvelles ou améliorées par rapport à celles accessibles pour des céramiques à structure micronique classiques. Les matériaux thermoélectriques nanostructurés s’avèrent extrêmement intéressants car ils peuvent fournir un moyen pratique de récupérer l'énergie thermique de l'environnement pour alimenter des micro-dispositifs électriques et ainsi être utilisés dans de nouveaux systèmes auto-alimentés. Les convertisseurs thermoélectriques peuvent être intégrés aux automobiles, permettant de tirer profit des kilowatts de chaleur perdue pour générer de l’électricité et ainsi alimenter le nombre croissant d’accessoires sans charge additionnelle sur le moteur. Il est communément accepté que de tels dispositifs permettrait de réaliser une économie de carburant de l’ordre de 10%. La chaleur émise par le soleil est une autre source d’énergie possible pouvant être convertie en électricité par des systèmes thermoélectriques.
De nombreux matériaux thermoélectriques font l’objet d’études poussées actuellement. L’introduction de nanostructures au sein des matériaux thermoélectriques est une des voies privilégiées désormais pour l’amélioration de leurs propriétés fonctionnelles. Parmi les matériaux présentant de bonnes propriétés thermoélectriques, certains possèdent une structure fortement anisotrope. Dans ce cas là, il peut être par conséquent très intéressant d’orienter les grains selon une seule direction cristallographique. De tels matériaux, nommés céramiques texturées, peuvent être obtenus par différents procédés, mais tous requièrent l’utilisation de hautes températures et de temps longs afin de permettre à la texturation de se produire, empêchant ainsi l’obtention de céramiques texturées à microstructure submicronique.
Le projet NanoCerTex vise à développer des matériaux thermoélectriques nanotexturés et des nanocomposites pour la récupération d’énergie thermique par une technique originale de frittage flash sous courant pulsé de nanofibres inorganiques élaborées par la technique d’electrospinning. Le principal défi de ce projet sera de maintenir la dimension nanométrique lors du processus de texturation. Pour cela, deux axes seront abordés :
-	Elaboration de céramiques thermoélectriques denses nanotexturées. L’objectif sera de densifier par frittage SPS (Spark Plasma Sintering), technique de frittage flash sous pression uniaxiale, des empilements de nanofibres alignées. Si la texturation pourra se développer spontanément dans le cas de matériaux à structure cristalline lamellaire, l’introduction de germes anisotropes au sein des fibres pourra induire la texturation dans le cas des matériaux à structure plus isotropes. Cette méthode est inspirée de la méthode dite «Templated Grain Growth», utilisée pour fabriquer des céramiques à structure micronique texturée.
-	Elaboration de nanocomposites thermoélectriques texturés. L’idée est d’introduire au sein du matériau des hétérogénéités à l’échelle nanométrique (inclusions, phases secondaires continues…). L’objectif est d’augmenter le facteur de mérite ZT en diminuant la conductivité thermique du matériau tout en maintenant une bonne conductivité électrique. L’utilisation de nanofibres «cœur/coquille» alignées devrait pouvoir permettre d’élaborer des nanocomposites présentant de très bonnes propriétés thermoélectriques.
L’ensemble de cette étude sera mené avec comme objectif de comprendre les mécanismes physico-chimiques intervenant lors de la formation de la fibre et lors du processus de texturation pendant le traitement thermique de frittage.
A notre connaissance, le développement de céramiques thermoélectriques nanocomposites texturées à partir de nanofibres formées par electrospinning n’a jamais été réalisé. Ce projet vise à démontrer la faisabilité d’utiliser cette technique pour la mise au point de matériaux fonctionnels à propriétés améliorées.