Síntese e caracterização de Cerâmicas de SrTiO₃ dopadas com Terras-Raras.

Abstract

Materiais cerâmicos com propriedades termoelétricas são estudados com o objetivo de serem implementados na fabricação de módulos termoelétricos, porém ainda é necessário aumentar a eficiência (η) da conversão de energia térmica em elétrica. Com esse objetivo, nesse trabalho foram sintetizados pós cerâmicos de SrTiO₃ (STO-semicondutor tipo n) puro e dopados com elementos terras raras utilizando diferentes técnicas de síntese, visando produzir nanopartículas cerâmicas para que fossem, posteriormente, usadas na produção de cerâmicas com tamanhos de grãos reduzidos. Para tanto, diferentes metodologias de sinterização também foram empregadas com o propósito de obter cerâmicas com microestruturas bem distintas para que fosse avaliado o comportamento das diversas propriedades termoelétricas em função do tamanho de grão das cerâmicas. As técnicas de síntese empregadas foram a reação em estado sólido (RES), método hidrotermal assistido por micro-ondas (MHT) e síntese por ultrassom (USS). Para aumentar a condutividade elétrica das cerâmicas, e consequentemente a eficiência de conversão termoelétrica, foram realizadas dopagens no sítio A, ocupado pelo íon estrôncio, com elementos terras raras. Foram adicionadas as proporções em mol de 4% La ou 4%Nd e foi também realizada uma co-dopagem adicionando 2%La e 2%Nd. A partir dos pós cerâmicos, amostras foram compactadas em forma de discos e as sinterizações das cerâmicas foram realizadas, ao ar (STO-AR), em forno convencional resistivo e em forno de micro-ondas. Avaliou-se também a eficácia na melhora das propriedades termoelétricas empregando atmosfera redutora (10%vol H₂/N₂) nas etapas de calcinação e sinterização utilizando forno resistivo (STO-ATM). Observou-se que o controle de atmosfera foi mais eficiente na sinterização que na calcinação, pois a condutividade térmica das cerâmicas dopadas com terras raras (STO-04La, STO-04Nd e STO-02La02Nd) e sinterizadas em forno resistivo, com atmosfera redutora, apresentaram respostas semelhantes às encontradas na literatura (1 – 10 W/m.K). Porém as cerâmicas apresentaram comportamento elétrico isolante (10³S.cm⁻¹) em comparação com dados de literatura (10²S.cm⁻¹). A cerâmica com os melhores resultados de propriedades termoelétricas foi a STO-02La02Nd-AR-ATM, que apresentou valores de ZT da ordem de 10⁻⁶.