SÍNTESIS MEDIANTE ALEADO MECÁNICO DE COMPUESTOS INTERMETÁLICOS BINARIOS PARA APLICACIONES TERMOELÉCTRICAS

Abstract

El objetivo del presente trabajo es la obtención y caracterización de compuestos intermetálicos que presenten propiedades termoeléctricas favorables o bien que sirvan como precursores de compuestos ternarios con potencial termoeléctrico. Para ello se utilizó el método de aleado mecánico para sintetizar la fase estable FeSb2 y la fase metaestable RhGe4. Esto se hizo en un molino mezclador Retsch MM400 usando como medio de molienda bolas de acero inoxidable y contenedores del mismo material, con una razón en peso bolas:polvo de 25:1 y en atmosfera de argón.La fase FeSb2 fue sintetizada a partir de polvos elementales de hierro y antimonio mezclados en razón estequiométrica 1:2, transcurridas 4 horas de molienda se logra un máximo de FeSb2 en el sistema (98% en peso aproximadamente). El sistema se caracterizó usando Difracción de Rayos X (DRX) cada una hora durante la molienda, la evolución de parámetros de red y parámetros microestructurales fueron estudiados mediante el programa MAUD. El producto final de la molienda se analizó por microscoscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopia de rayos X de energía dispersiva (EDXS), difracción de rayos X a altas temperaturas (DRX-HT), análisis térmico diferencial (DTA) y fue compactada por sinterización asistida por corriente de plasma pulsada (SPS) obteniéndose una compactación de un 84% respecto de la densidad cristalográfica. Se midió conductividad térmica obteniéndose una disminución de hasta un 80% con respecto a los valores de la literatura.Con el objetivo de sintetizar la fase metaestable FeSb3, se realizó el aleado mecánico de polvos elementales de hierro y antimonio en proporción estequiométrica 1:3, luego de 12 horas de molienda solo se observa la fase FeSb2 y antimonio elemental como producto. A lo largo de la molienda se caracteriza el sistema por difracción de rayos X y se estudian parámetros de red y microestructurales de la fase formada a través del programa MAUD. Debido a la dinámica de reacción en el proceso de aleado mecánico, es probable que la fase metaestable no se logre detectar durante los lapsos de muestreo.En la síntesis de la fase metaestable RhGe4 se mezclan polvos elementales de rodio y germanio en proporción estequiométrica 1:4. La difracción de rayos X a lo largo del proceso de molienda indica con certeza que la fase RhGe4 está presente en el sistema desde la primera hasta la cuarta hora de molienda, desde la cuarta hora y hasta el final de la molienda a 12 horas la fase metaestable RhGe4 se descompone dando origen a la fase Rh17Ge22, fase estable del sistema Rh-Ge de acuerdo al diagrama de fases publicado. Debido a la contaminación prevista proveniente del medio de molienda y de los contenedores hechos de acero inoxidable, se estabilizó una fase desconocida que dificulta la caracterización cuantitativa del sistema y sus constituyentes.The goal of the present work is the synthesis and characterization of intermetallic compounds with high performance for thermoelectrical applications or serving as a precursor for potential thermoelectrics ternary compounds. For this purpose mechanical alloying was used to synthetize the stable FeSb2 phase and the metastable RhGe4 phase starting from elemental powders. A Retsch MM400 mixer mill was used with stainless steel balls as milling media and vials made of the same material. The balls to powder ratio used was 25:1 and the milling was performed in argon protective atmosphere.The FeSb2 phase was synthetize from elemental iron and antimony powders blended in stoichiometric ratio 1:2, after milling for 4 hours a maximum of FeSb2 in the system was reached (approximately 98% in weight). Powder X-Ray diffraction was used in the characterization of the system hourly during the milling; lattice and microstructural parameters along the milling were studied using the software MAUD. The final product of the milling was analyzed using Scanning Electron Microscopy (SEM), energy dispersive x-ray spectroscopy (EDXS), X-Ray diffraction at high temperatures (DRX-HT), differential thermal analysis (DTA) and it was consolidated using Spark Plasma Sintering (SPS) obtaining 84% of compaction referred to the crystallographic density. A reduction up to 80% of the Thermal conductivity was accomplished with respect to the literature values.In order to synthetize the metastable phase FeSb3, mechanical alloying was performed starting from elemental iron and antimony powders in stoichiometric ratio 1:3, , after 12 hours of milling, only FeSb2 and elemental Sb is observed as product. Along the milling, the system constitution, lattice and microstructural parameters of the formed phase were studied by means of X-Ray diffraction (XRD) using the software MAUD. Due to the reaction dynamic in mechanical alloying process, it is possible that the metastable phase could not be detected during the sampling time lapses.In the synthesis of the metastable phase RhGe4, elemental powders of rhodium and germanium are blended in stoichiometric ratio 1:4 and placed inside the vials. X-Ray diffraction along the milling process shows the presence of the RhGe4 phase in the system since the first until the fourth hour of milling. After the fourth hour until the end of the milling after 12 hours the metastable RhGe4 phase disappear originating the stable Rh17Ge22 phase in the Rh-Ge system according to the reported phase diagram. Due to expected contamination proceeding from milling media and vials made of stainless steel, the formation of an unidentified phase made difficult a quantitatively analysis using X-Ray Diffraction.