Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Cerâmicas termoelétricas de CaMnO3 dopadas com La3+ e V5+ produzidas por método químico e sinterizadas por micro-ondas
Autor(es): ROSA, João Paulo Martins Mansano
Primeiro Orientador: GELFUSO, Maria Virgínia
metadata.dc.contributor.advisor-co1: THOMAZINI, Daniel
Resumo: Atualmente, a utilização de materiais termoelétricos apresenta-se como uma solução promissora para a crise energética mundial, devido a sua capacidade de converter energia térmica em elétrica, baseando-se no efeito Seebeck. Devido a suas propriedades intrínsecas, a manganita de cálcio (CaMnO3 ou CMO) é um óxido semicondutor do tipo-n auspicioso para aplicações termoelétricas. Outrossim, a adoção da sinterização auxiliada por irradiação de micro-ondas favorece tempos de processamento mais curtos, microestruturas com tamanho de grão reduzido e, em alguns casos, propriedades iguais ou até superiores às das cerâmicas sinterizadas convencionalmente. Assim, neste estudo, as influências de um método de síntese química, das dopagens com La3+ e V5+, e do tempo de sinterização nas propriedades termoelétricas de cerâmicas de CaMnO3 são reportadas. Os pós cerâmicos das composições estequiométricas CaMnO3, Ca0,90La0,10MnO3 e CaMn0,96V0,04O3 foram produzidos pelo método de Pechini modificado. De acordo com a análise por difratometria de raios X, confirmou-se que a fase CMO, quer pura ou dopada, foi predominante (>98 %) para os pós calcinados de todas as composições. A partir destes pós, amostras em forma de pastilhas foram prensadas uniaxialmente, sob pressão de 175 MPa, e, em seguida, sinterizadas com o auxílio da irradiação de micro-ondas, ao ar, sem tempo de patamar de permanência, nas temperaturas de 500 °C, 700 °C, 900 °C e 1100 °C. Ainda, cerâmicas foram sinterizadas por micro-ondas, ao ar, sem tempo de patamar (0 min), por 15 min e por 30 min, à temperatura de 1300 °C, 1200 °C e 1300 °C, para cerâmicas das composições CMO, CMO-La e CMO-V, respectivamente, sendo essas temperaturas determinadas a partir da análise por dilatometria. As densidades aparentes atingiram valores superiores a 65 % das densidades teóricas para cerâmicas de todas as composições estudadas. A caracterização por difratometria de raios X confirmou a formação da fase cristalina CMO como única fase para cerâmicas de todas as composições estequiométricas produzidas. Por meio da caracterização por microscopia eletrônica de varredura, verificou-se grãos maiores para as cerâmicas de CMO, intermediários para as de CMO-V e menores para as de CMO-La. Além disso, o tamanho médio de grão aumentou com acréscimos do tempo de patamar de sinterização. Os valores de coeficiente Seebeck, condutividades térmica e elétrica foram medidos entre 25 °C e 600 °C. Os resultados mais promissores de propriedades termoelétricas são reportados a seguir. A amostra de CMO sinterizada sem tempo de patamar apresentou os maiores valores, em módulo, de coeficiente Seebeck. A amostra de CMO-La sinterizada por 15 min apresentou a maior condutividade elétrica (~14600 S/m, à 600 °C), em detrimento das amostras de CMO sinterizadas sem tempo de patamar e por 30 min (~250 S/m, à 600 °C). A amostra de CMO-La sinterizada sem tempo de patamar apresentou os menores valores de condutividade térmica, em contrapartida, a de CMO sinterizada por 15 min, atingiu os maiores. O maior valor de 𝑍𝑇, de ~0,098, para a amostra CMO-La-15min, à 600 °C. Essa amostra também apresentou o maior 𝐸𝑇 (~0,94 %). Logo, a cerâmica de CMO-La sinterizada por micro-ondas por 15 min apresenta-se como a de maior destaque para aplicações termoelétricas.
Abstract: Nowadays, the use of thermoelectric materials could be a promising solution to a global energy crisis, due to its ability to convert thermal energy into electrical energy, based on the Seebeck effect. Due to its intrinsic properties, calcium manganite (CaMnO3 or CMO) is an auspicious n-type semiconductor oxide for thermoelectric applications. Furthermore, the adoption of sintering by microwave irradiation favors shorter processing times, microstructures with reduced grain sizes, in some cases, properties equal to or even superior to those of conventionally sintered ceramics. Thus, in this study, the influences of a chemical synthesis method, doping with La3+ and V5+, and sintering time on the thermoelectric properties of CaMnO3 ceramics are reported. Ceramic powders of CaMnO3, Ca0.90La0.10MnO3, and CaMn0.96V0.04O3 stoichiometric compositions were produced by the modified Pechini method. According to X-ray diffraction analysis, it was confirmed that the CMO phase, which can be pure or doped, was predominant (>98%) for the calcined powders of all compositions. From the production of these powders, samples in discs form were pressed uniaxially, under a pressure of 175 MPa, and then sintered by microwave irradiation, in air, without a permanence time, at temperatures of 500 °C, 700 °C, 900 °C, and 1100 °C. Still, ceramics were sintered by microwave irradiation, in air, without a soaking time (0 min), for 15 min and for 30 min at a temperature of 1300 °C, 1200 °C, and 1300 °C, for ceramics of CMO, CMO-La, and CMO-V compositions, in the respective order, these temperatures were determined by dilatometric analyses. The apparent densities reached values greater than 65 % of the theoretical densities, for ceramics of all studied compositions. Characterization by X-ray diffraction confirmed the formation of the CMO crystalline phase as the only phase for ceramics of all stoichiometric compositions produced. Through scanning electron microscopy characterization, larger grains were found for CMO ceramics, intermediate grains for CMO-V, and smaller grains for CMO-La. In addition, the average grain size increased when the sintering time was raised. Seebeck coefficient values and thermal and electrical conductivities were measured between 25 °C and 600 °C. The thermoelectric properties most promising results are reported next. The sintered CMO sample without soaking time showed the highest values, in modulus, of the Seebeck coefficient. The CMO-La sample sintered for 15 min showed the highest electrical conductivity (~14600 S/m, at 600 °C), meanwhile, CMO samples sintered without soaking time and for 30 min (~250 S/m, at 600 °C). The sample of CMO-La sintered without soaking time showed the lowest values of thermal conductivity, on the other hand, this of CMO sintered for 15 min reached the highest values. The highest 𝑍𝑇 value, ~0.098, was obtained for the CMO-La-15min sample, at 600 °C. This sample presented the highest 𝐸𝑇 (~0.94 %) either. Therefore, the CMO-La ceramic sintered by microwave irradiation for 15 min is the most prominent for thermoelectric applications.
Palavras-chave: Cerâmicas termoelétricas de CaMnO3
Método de Pechini modificado
Dopagem
Sinterização por irradiação de micro-ondas
Tempo de sinterização
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA DE MATERIAIS E METALÚRGICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IFQ - Instituto de Física e Química
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Ciência e Engenharia de Materiais
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3528
Data do documento: 8-Fev-2023
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