Ligas de alta entropia para aplicações termoelétricas

Introdução

As ligas de alta entropia (HEAs) surgiram recentemente como materiais promissores para aplicações termoelétricas de alta temperatura devido às suas propriedades exclusivas. Aqui estão alguns benefícios do uso de HEAs para aplicações termoelétricas. Espero que você possa compreender melhor os recursos e as aplicações das ligas de alta entropia.

O que é liga de alta entropia?

A liga de alta entropia é um tipo de liga que contém pelo menos cinco elementos, cuja proporção é igual ou aproximadamente igual. Em comparação com as ligas tradicionais, elas não têm um único elemento de base, mas são feitas de vários elementos principais. Essa composição exclusiva resulta em uma estrutura desordenada, alta entropia e, o mais importante, em propriedades e aplicações excepcionais.

As HEAs se destacam por suas propriedades exclusivas e impressionantes que as ligas convencionais não têm. Essas características envolvem alta resistência, grande ductilidade, alta condutividade elétrica e estabilidade térmica superior. Essas ligas também possuem excelente resistência ao desgaste, resistência à corrosão e propriedades de alta temperatura, o que as torna materiais ideais para ambientes adversos.

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Figura 1. Exemplos de ligas de alta entropia

Com essas propriedades estruturais e funcionais, as ligas de alta entropia têm uma variedade de aplicações, incluindo aplicações aeroespaciais, automotivas e biomédicas. Este artigo explorará especialmente as ligas de alta entropia usadas em aplicações termoelétricas.

O que são materiais termoelétricos?

A popularidade da tecnologia termoelétrica (TE) cresce rapidamente à medida que a demanda por energia aumenta constantemente. Por um lado, uma grande quantidade de energia renovável é utilizada para atender à crescente demanda de energia. Por outro lado, a tecnologia TE é uma opção atraente, pois pode usar a energia do calor residual. Os materiais TE também têm um tamanho operacional pequeno e podem ser aplicados em resfriamento de estado sólido, eletrônicos portáteis e vestíveis, etc.

Uma ampla gama de materiais avançados é empregada para a conversão direta da energia do calor residual em energia elétrica na tecnologia TE. Os materiais termoelétricos comuns são Zintl, Heusler, SiGe, MgSi, clatratos e CoSb3-Ba. Pb(Te, Se, S)-SeTe, SiGe e skutterudites também são úteis. [2] No entanto, várias ligas de alta entropia surgem como novos materiais de TE de ponta com propriedades de alta temperatura.

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Figura 2. Exemplos de materiais de TE

Por que as ligas de alta entropia são adequadas para aplicações termoelétricas?

As ligas de alta entropia são bastante adequadas para aplicações de TE devido às seguintes características.

--Alta estabilidade térmica

Primeiro, elas apresentam alta estabilidade térmica devido à sua alta entropia configuracional, que resulta em uma distribuição aleatória de átomos. Essa estrutura desordenada reduz a ocorrência de transformações de fase, mesmo em altas temperaturas, tornando os HEAs excelentes materiais para aplicações termoelétricas.

--Alta condutividade térmica

Em segundo lugar, sua natureza metálica determina sua alta condutividade térmica, o que resulta em alta mobilidade de elétrons e baixa resistência ao fluxo de calor. Isso torna os HEAs excelentes materiais para TE, pois a alta condutividade térmica é desejada para aumentar a eficiência da transferência de calor em aplicações de TE.

--Alta condutividade elétrica

Além das propriedades térmicas, os HEAs apresentam alta condutividade elétrica, o que permite a conversão eficiente de calor em eletricidade. Portanto, os HEAs são uma excelente opção para a geração de energia termoelétrica.

--Baixo coeficiente de expansão térmica

Os HEAs têm um baixo coeficiente de expansão térmica devido ao seu arranjo atômico aleatório. Isso reduz a probabilidade de estresse ou deformação térmica, tornando os HEAs excelentes materiais para aplicações termoelétricas.

--Propriedades mecânicas aprimoradas

Além disso, a estrutura desordenada leva a propriedades mecânicas aprimoradas dos HEAs, como alta resistência e ductilidade. Essas características mecânicas tornam os HEAs excelentes materiais para aplicações termoelétricas de alta temperatura, uma vez que materiais com alta resistência e ductilidade são necessários para suportar condições operacionais adversas.

Conclusão

Em suma, os HEAs oferecem inúmeros benefícios para aplicações termoelétricas, incluindo alta estabilidade térmica, alta condutividade térmica e elétrica, baixo coeficiente de expansão térmica e propriedades mecânicas aprimoradas. Essas propriedades exclusivas tornam os HEAs uma alternativa promissora aos materiais TE tradicionais e podem levar ao desenvolvimento de dispositivos termoelétricos mais eficientes e duráveis.

A Stanford Advanced Materials (SAM) é um fornecedor confiável de ligas de alta entropia. Há muitas HEAs de qualidade usadas para aplicações termoelétricas, impressão 3D, etc. Também estão disponíveis HEAs de diferentes formas e formatos. Se estiver interessado, envie-nos uma consulta.

Referências:

[1] Saro San, Yang Tong, Hongbin Bei, Boopathy Kombaiah, Yanwen Zhang, Wai-Yim Ching, Cálculo de primeiros princípios de distorções de rede em quatro ligas monofásicas de alta entropia com validação experimental, Materials & Design, Volume 209, 2021, 110071, ISSN 0264-1275, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110071.

[2] Shafeie, Samrand & Guo, Sheng. (2020). Benefits of the Selection and Use of High Entropy Alloys for High-Temperature Thermoelectric Applications [Benefícios da seleção e uso de ligas de alta entropia para aplicações termoelétricas de 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). Impressão de tintas termoelétricas para dispositivos térmicos e de energia de última geração. Chemical Society Reviews. 51. 10.1039/D1CS00490E.