60ª Reunião Anual da SBPC

INTRODUÇÃO:

A expectativa inicial de ampla utilização dos materiais termoelétricos em aplicações de geração de energia elétrica e refrigeração ainda não se concretizou devido à baixa eficiência dos materiais termoelétricos disponíveis. Uma das estratégias exploradas para a obtenção de novos materiais termoelétricos consiste na busca por materiais com elevada condutividade elétrica (σ) cuja condutividade térmica (k) seja reduzida por algum mecanismo de espalhamento de fônons. Dentre os materiais que se enquadram nesta categoria encontram-se compostos de estrutura aberta (onde são inseridas espécies químicas, que causam espalhamento de fônons), como as escuteruditas. A pressão influi no valor de k e, além disso, materiais sintetizados em altas pressões possivelmente tenham características interessantes no que diz respeito a termoelétricos com elevado fator de mérito termoelétrico. Como a medida de k em altas pressões ainda hoje implica em consideráveis dificuldades experimentais, este estudo é de fundamental importância na obtenção de novos materiais termoelétricos. O objetivo deste trabalho é desenvolver um procedimento robusto para a determinação da condutividade térmica em altas pressões, que seria de grande interesse em áreas correlatas, incluindo geofísica e metrologia de materiais.

METODOLOGIA:

Neste trabalho, um método transiente para a medida da condutividade térmica de amostras de pequeno volume tem sido desenvolvido e aplicado ao estudo de escuteruditas. Neste procedimento, calor é gerado pela passagem de corrente elétrica através de um elemento aquecedor, que cruza a amostra paralelamente a um termopar. Ambos os elementos são dispostos no interior de um tubo capilar de alumina, que cruza a amostra longitudinalmente. A temperatura no termopar é medida com auxílio de uma placa de aquisição de alta resolução, durante um intervalo de tempo da ordem de 400 ms. O valor da condutividade térmica da amostra é obtido em um processo de minimização (por simulated annealing) do somatório dos desvios quadráticos entre os valores experimentais de temperatura em função do tempo e os calculados pela solução do problema da transferência de calor, por elementos finitos. Uma interface gráfica está sendo implementada para a análise dos dados experimentais.

RESULTADOS:

O método para determinação de condutividade térmica, que está em desenvolvimento, foi aplicado em amostras de hBN, LaFe₃CoSb₁₂ e SRM 1461 (material de referência do NIST – National Institute of Standards and Technology) submetidas a pressão ambiente. O método não se mostrou adequado para a determinação da condutividade térmica das amostras de hBN (24,3 W m^-1 K^-1) e do SRM 1461 (14,32 W m^-1 K^-1). Os resultados foram satisfatórios para a amostra de escuterudita LaFe₃CoSb₁₂, cuja condutividade térmica é 1,6 W m^-1 K^-1 na ausência de porosidade. Para esta amostra de escuterudita, com 39% de porosidade, o valor obtido foi de 1,3 W m^-1 K^-1.

CONCLUSÕES:

Este método se mostrou adequado para aplicação em materiais com baixa condutividade térmica. Será agora aplicado para a medição da condutividade térmica de escuteruditas LaFe₃CoSb₁₂ submetidas a altas pressões, de modo a evidenciar o papel da pressão sobre o mecanismo de espalhamento de fônons nesses materiais.

Instituição de fomento: Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq), Universidade de Caxias do Sul (UCS)

Trabalho de Iniciação Científica

Palavras-chave: materiais termoelétricos, condutividade térmica, método de elementos finitos

E-mail para contato: grramos@ucs.br