Gambe ad alta entropia per applicazioni termoelettriche

Introduzione

Le leghe ad alta entropia (HEA) sono recentemente emerse come materiali promettenti per le applicazioni termoelettriche ad alta temperatura, grazie alle loro proprietà uniche. Ecco alcuni vantaggi dell'uso delle HEA per le applicazioni termoelettriche. Ci auguriamo che possiate comprendere meglio le caratteristiche e le applicazioni delle leghe ad alta entropia.

Che cos'è una lega ad alta entropia?

Unalegaad alta entropia è un tipo di lega contenente almeno 5 elementi, la cui proporzione è uguale o approssimativamente uguale. Rispetto alle leghe tradizionali, non hanno un unico elemento di base, ma sono costituite da diversi elementi principali. Questa composizione unica porta a una struttura disordinata, a un'elevata entropia e, soprattutto, a proprietà e applicazioni eccezionali.

Gli HEA si distinguono per le loro proprietà uniche e impressionanti che le leghe convenzionali non hanno. Queste caratteristiche comprendono un'elevata resistenza, una grande duttilità, un'alta conducibilità elettrica e una stabilità termica superiore. Queste leghe possiedono anche eccellenti proprietà di resistenza all'usura, alla corrosione e alle alte temperature, che le rendono materiali ideali in ambienti difficili.

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Figura 1. Esempi di leghe ad alta entropia

Grazie a queste proprietà strutturali e funzionali, le HEA trovano svariate applicazioni, tra cui quelle aerospaziali, automobilistiche e biomediche. In questo articolo verranno analizzate le leghe ad alta entropia utilizzate in particolare per le applicazioni termoelettriche.

Cosa sono i materiali termoelettrici?

La popolarità della tecnologia termoelettrica (TE) aumenta rapidamente con il costante aumento della domanda di energia. Da un lato, una grande quantità di energia rinnovabile viene utilizzata per soddisfare la crescente domanda di energia. D'altra parte, la tecnologia TE è un'opzione interessante perché può utilizzare l'energia del calore residuo. I materiali TE hanno anche dimensioni operative ridotte e possono essere applicati al raffreddamento a stato solido, all'elettronica portatile e indossabile, ecc.

Un'ampia gamma di materiali avanzati viene impiegata per la conversione diretta dell'energia termica di scarto in energia elettrica nella tecnologia TE. I materiali termoelettrici più comuni sono Zintl, Heusler, SiGe, MgSi, clatrati e CoSb3-Ba. Sono utili anche Pb(Te, Se, S)-SeTe, SiGe e skutterudite. [2] Tuttavia, diverse leghe ad alta entropia emergono come nuovi materiali TE all'avanguardia con proprietà ad alta temperatura.

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Figura 2. Esempi di materiali TE

Perché le leghe ad alta entropia sono adatte alle applicazioni termoelettriche?

Le leghe ad alta entropia sono adatte alle applicazioni TE per le seguenti caratteristiche.

--Elevata stabilità termica

In primo luogo, presentano un'elevata stabilità termica grazie all'alta entropia configurazionale, che determina una distribuzione casuale degli atomi. Questa struttura disordinata riduce il verificarsi di trasformazioni di fase, anche a temperature elevate, rendendo gli HEA materiali eccellenti per le applicazioni termoelettriche.

--Elevata conducibilità termica

In secondo luogo, la loro natura metallica ne determina l'elevata conduttività termica, che comporta un'alta mobilità degli elettroni e una bassa resistenza al flusso di calore. Ciò rende gli HEA eccellenti materiali per il TE, perché l'alta conducibilità termica è desiderata per migliorare l'efficienza del trasferimento di calore nelle applicazioni TE.

--Elevata conducibilità elettrica

Oltre alle proprietà termiche, gli HEA presentano un'elevata conducibilità elettrica, che consente un'efficiente conversione del calore in elettricità. Pertanto, gli HEA diventano una scelta eccellente per la generazione di energia termoelettrica.

--Basso coefficiente di espansione termica

Gli HEA hanno un basso coefficiente di espansione termica grazie alla loro disposizione atomica casuale. Ciò riduce la probabilità di stress o deformazione termica, rendendo gli HEA eccellenti materiali per le applicazioni termoelettriche.

--Migliori proprietà meccaniche

Inoltre, la struttura disordinata porta a migliorare le proprietà meccaniche degli HEA, come l'alta resistenza e la duttilità. Queste caratteristiche meccaniche rendono gli HEA eccellenti per le applicazioni termoelettriche ad alta temperatura, poiché i materiali ad alta resistenza e duttilità sono necessari per resistere a condizioni operative difficili.

Conclusioni

In sintesi, gli HEA offrono numerosi vantaggi per le applicazioni termoelettriche, tra cui un'elevata stabilità termica, un'alta conducibilità termica ed elettrica, un basso coefficiente di espansione termica e migliori proprietà meccaniche. Queste proprietà uniche rendono gli HEA una promettente alternativa ai materiali TE tradizionali e potrebbero portare allo sviluppo di dispositivi termoelettrici più efficienti e durevoli.

Stanford Advanced Materials (SAM) è un fornitore affidabile di leghe ad alta entropia. Esistono molte HEA di qualità utilizzate per applicazioni termoelettriche, stampa 3D, ecc. Sono disponibili anche HEA di forme diverse. Se siete interessati, inviateci una richiesta.

Riferimenti:

[1] Saro San, Yang Tong, Hongbin Bei, Boopathy Kombaiah, Yanwen Zhang, Wai-Yim Ching, First-principles calculation of lattice distortions in four single phase high entropy alloys with experimental validation, Materials & Design, Volume 209, 2021, 110071, ISSN 0264-1275, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110071.

[2] Shafeie, Samrand & Guo, Sheng. (2020). Vantaggi della selezione e dell'uso di leghe ad alta entropia per applicazioni termoelettriche ad alta temperatura. 10.1201/9780367374426-16.

[3] Zeng, Minxiang & Zavanelli, Duncan & Chen, Jiahao & Saeidi-Javash, Mortaza & Du, Yipu & LeBlanc, Saniya & Snyder, G. & Zhang, Yanliang. (2021). Stampa di inchiostri termoelettrici verso dispositivi energetici e termici di prossima generazione. Recensioni della Società Chimica. 51. 10.1039/D1CS00490E.