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Etude et développement de dispositifs thermoélectriques par fabrication additive

Défis technologiques Fabrication additive, nouvelles voies d’économie de matériaux Matériaux et applications Sciences pour l’ingénieur

Résumé du sujet

Avec la décarbonation, l’augmentation globale de l’inflation ainsi que celle du coût de l’énergie, les besoins en énergie à faible impacts environnementaux ont considérablement augmenté. Parmi toutes les technologies existantes, les générateurs thermoélectriques (TEG) sont des dispositifs permettant de convertir l’énergie thermique en énergie électrique (par effet Seebeck). Ils ont comme atouts de ne pas présenter de partie mobile, d’être complètement silencieux (à la différence des moteurs Stirling, par exemple), de ne pas nécessiter de maintenance, et de constituer une source d’énergie renouvelable simple à installer, sûre à stocker et plutôt bas coût.
Depuis plus de 20 ans, le laboratoire L3M du CEA-Liten a acquis une grande expérience en thermoélectricité (TE), notamment dans les technologies en films minces et massifs. Par ailleurs, depuis une dizaine d’années, le L3M s'est également doté d'une expertise en fabrication additive (FA), principalement pour les matériaux métalliques. L'utilisation de la FA pour la TE offre de nouvelles perspectives par rapport aux procédés standards (comme le frittage), et permet notamment d'accéder à des géométries complexes (optimisation du rendement de conversion global et/ou meilleure intégration), avec moins de perte de matériaux, une diminution significative du challenge d’intégration et d’interface, un temps de fabrication raccourci, un coût plus bas et la possibilité de réaliser des dispositifs très rapidement par rapport aux autres technologies. Le principal verrou consiste à obtenir des matériaux d'aussi bonne qualité que les autres technologies (densité, microstructure), ce qui passe par un développement et une compréhension approfondie du procédé.
Ainsi, le L3M a initié cette nouvelle technologie depuis 3 ans. Le laboratoire s’est focalisé sur les matériaux TE à base d’alliages en silicium-germanium SiGe, qui sont des matériaux très performants pour les applications à hautes températures (500K à 700K) comme pour le spatial, la métallurgie, etc.
L'objectif de la thèse sera donc, d’une part, de poursuivre les études déjà commencées sur l’optimisation du procédé de fabrication du SiGe par FA (et plus précisément la technologie fusion laser sur lit de poudre L-PBF), puis d’autre part, de réaliser les premiers démonstrateurs TEG. Pour la première partie, l’étude devra notamment permettre de comprendre et de mettre en avant les spécificités des mécanismes de la fabrication additive sur les propriétés structurelles du SiGe. Cette étude structurelle approfondie comprendra également les mesures des propriétés mécaniques, ainsi que les analyses microscopiques. Elle devra également être corrélée aux mesures expérimentales des propriétés thermoélectriques des matériaux fabriqués (coefficient Seebeck, conductivités électrique et thermique).
Pour la seconde partie, la fabrication d’un dispositif TEG nécessite d’associer deux matériaux thermoélectriques (de types p et n) et de les assembler ensemble, en optimisant les contacts électriques entre les deux matériaux. Le CEA-Liten a déposé un brevet pour la fabrication originale d’un tel dispositif à partir de la fabrication additive. Ainsi, la réalisation et la caractérisation électrique des prototypes thermoélectriques seront également développées dans le cadre de ces travaux de thèse, permettant là aussi de mettre en évidence les avantages de cette technique de fabrication.
A noter enfin que ces travaux de thèse s’inscrivent dans le cadre du lancement d’un projet européen.

Laboratoire

Département des Technologies des NanoMatériaux (LITEN)
Service Architecture 3D
Laboratoire de Modélisation et Matériaux pour la Métallurgie
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