INFLUÊNCIA DA TÉCNICA DE OBTENÇÃO DAS LIGAS DE SiGe NA
PREPARAÇÃO DE UM MATERIAL TERMOELÉTRICO
Paulo Conrado Kemmelmeier (bolsista do PIBIC); Gabriel F. Calle Sotelo; Lucas Máximo Alves (orientador).
Departamento de Engenharia de Materiais, DEMA-UEPG, Ponta Grossa (PR).
RESUMO
As ligas de Silício Germânio usadas na conversão de
energia elétrica em geradores termoelétricos foram preparadas por
duas técnicas diferentes: uma por fusão convencional com
resfriamento rápido e outra por Ligamento Mecânico (Mechanical
Alloying). No primeiro caso, o material na forma de grânulos, nas
proporções de 80:Si e 20Ge foi pesado e inserido dentro de uma
ampola de quartzo e selada a vácuo (10-6 torr). O material assim
preparado, foi levado a um forno mufla para fusão a 1500oC e
resfriamento rápido em solução aquosa de NaCl. No segundo
método, o material foi pesado e misturado na forma de pó nas
mesmas proporções anteriores, porém, foi levado para o processo
de ligamento mecânico (MA) por moagem de alta energia num
moinho SPECKLE sob atmosfera inerte de argônio, durante 72 e
24 horas, com uma razão de 5:1 entre o peso das bolas e do
material. A análise do material feita por microscopia eletrônica e
por técnica de difração de raios-X nas amostras obtidas por técnica
convencional, mostraram um crescimento dendrítico e uma baixa
homogeneidade com aparecimento de trincas devido ao choque
térmico, porém as amostras do pó da liga obtido por MA
ABSTRACT
.
The silicon-germanium alloy used to convert thermal to
electrical energy in thermoelectrical generators, were prepared by two
differents techniques: a Convencional Fusion with quenching and
another by Mechanical Alloying. In the first case, the material as
grain, with the proportion 80:Si and 20:Ge were weighted and
inserted into a quartz bulb and sealed at vacum (10-6 torr). The
material prepared, was leaded to mufla furnace to obtain a fusion at
1500oC and fastly quenched in NaCl aquous solution. In the second
method, the material was weight too and mixing as powder in the
same proportion used latter, but, the processing was made by
Mechanic Alloying (MA) in a high energy milling usina a SPECKLE
milling under inert agon atmosfer, during 72 and 24 hours. The rate of
balls weight and material weight was 5:1. The material analysis done
by electronic microscopy and by X-ray diffraction of the samples
obtained by Convencional techique, showed a dendritic growth and a
low chemical homogeneity, with cracks because the thermal schock
had ocurred during the quench, but the alloy powder samples obtained
by MA showed a good homogeneity within of the standard
homogeneity required to manufacture thermoelectrical modules to
mostraram uma ótima homogeneidade e uma obtenção da liga
dentro dos padrões requeridos para fabricação dos módulos
termoelétricos dos geradores de potência. Concluímos, portanto
que com um moinho SPECKLE e usando-se a técnica de MA é
possível obter ligas de silicio germânio de ótima qualidade com um
baixo custo.
power generators. We concluded, therefore that, with a SPECKLE
milling and using the MA technique it is possible to obtain silicongermanium alloys with a best quality and a low cust.
Palavras chaves: Ligas de Silício-Germânio, Ligamento
Mecânico, Material Termoelétrico, Semicondutor Ceramics.
Key words: Silicon-Germanium alloy, Mechanical Alloying,
Thermoelectrical Materials, Semiconductor Ceramics.
1 - INTRODUÇÃO
Este projeto visa a obtenção de ligas de Si-Ge, utilizadas como geradores de energia
elétrica, por diferentes métodos de preparação, visto a dificuldade de obtenção de uma liga
homogênea com um custo viável. Os métodos utilizados neste trabalho foram o Método de Fusão
Convencional e o Método do Ligamento Mecânico (Mechanical Alloying). Fez-se uma análise
comparativa entre os métodos, analisando-se o custo, a praticidade do método e a qualidade do
composto final obtido. Os resultados obtidos estão citados a seguir, bem como as técnicas de
preparação utilizadas.
2 - PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
2.1 - Método de Fusão Convencional. A liga foi pesada na proporção atômica de Si80Ge20 e
inserida na forma de grânulos em uma ampola de Quartzo, na qual fez-se uma vácuo de 10-6 torr.
A seguir a ampola foi introduzida em um forno mufla, o qual atingiu a temperatura de 1500oC
durante 2 horas. Procedeu-se, então com um resfriamento rápido em uma solução salina (água
com NaCl, para se obter uma melhor dissipação do calor). Após isto, as amostras foram
analisadas por microscopia eletrônica, com análise química pontual e regional.
2.2 - Técnica do Ligamento Mecânico (Mechanical Alloying). O material foi pesado nas
mesmas proporções anteriores, na forma de pó e levado para uma moagem de alta energia em
um moinho SPECKLE durante 48 e 72 horas sob uma atmosfera inerte de Argônio. A razão entre
as esferas de aço de alta dureza utilizada para moagem e a carga do moinho foi de 5:1. Após a
preparação as amostras foram analisadas por difração de raios X.
3 - RESULTADOS
3.1 - Método Convencional - Abaixo temos as imagens de microscopia eletrônica da liga.
Figura 3-1: Trincas numa liga de Si-Ge , obtidas num Figura 3-2: Análise regional de uma liga de Si-Ge obtida
choque térmico de um resfriamento rápido em água.
por Fusão Convencional. Aumento de 20 vezes
Figura 3-3: Análise pontual de uma liga de SiGe , obtida
por fusão convencional.
Imagem com aumento de 200 vezes , por elétrons
retroespalhados.
Figura 3-4: Micrografia mostrando o aspecto típico da
microestrutura da cerâmica obtida pelo processamento
convencional. Aumento de 500 vezes. Imagem por
elétrons retroespalhados.
Tabela - I: Análise química
Figura
3-2
3-3 região clara
3-3 região escura
Si (% atômico)
63,6
2,3
76,6
%Ge (%atômico)
36,4
97,7
23,4
Tabela - II: Análise química puntiforme - figura 3-4
microregião
Claro (P1)
Cinza (P2)
Fora do Grão (P3)
Si (% atômico)
65,6-75,5 + 0,2
87,8-88,6 + 0,2
75,1-79,6 + 0,2
Ge (%atômica)
34,4-24,5 + 0,5
12,2-11,4 + 0,4
24,9-20,4 + 0,4
3.2 - Técnica do Ligamento Mecânico (Mechanical Alloying).
Freqüência relativa (%)
12
10
8
6
4
2
0
0
2
4
6
8
10
Figura 3-5: Perfil de distribuição do tamanho das
partículas do pó da liga de SiGe (moída). Análise feita por
técnica de sedimentação (SediGraph - 5100Micromeritics).
Figura 3-6: Difratograma de raios-X dos elementos Si e
Ge antes da moagem
Figura 3-7 Difratograma de raios X da liga processada
durante 48 horas
Figura 3-8 Difratograma de raios X da liga processada
durante 72 horas
4 - DISCUSSÃO
O material obtido pelo Método de Fusão Convencional não apresentou a homogeneidade esperada, como ficou
comprovado pelas análises químicas. Entretanto, este método poderá ser utilizado com condições adequadas de
resfriamento rápido.
Já com o emprego da Técnica Mechanical Alloying , observou-se a formação da liga com 48 horas de moagem.
Também foi observado a presença de ruídos no difratograma, que apontam uma certa amorficidade e tensões mecânicas
na rede cristalina.
5 - CONCLUSÃO
Comprovou-se a dificuldade de obtenção de uma liga de Si-Ge homogênea pelo Método de Fusão Convencional,
devido a condições de resfriamento rápido inadequadas.
Entretanto, com o emprego da Técnica Mechanical Alloying ,observou-se a formação da liga de Si-Ge já com 48
horas de moagem. Esta técnica mostrou-se uma alternativa adequada na preparação da liga Si-Ge, quando comparada
com a técnica de Fusão Convencional, que requer temperaturas da ordem de 15000C, visto que a máxima temperatura
atingida pelo moinho durante a moagem é de 80oC. Ainda ressaltamos a facilidade de operação e o baixo custo desta
técnica, que tem por inconveniente apenas a possibilidade de preparação de pequenas quantidades de material.
AGRADECIMENTOS
Agradecimentos a CNPq e PROPESP/UEPG pelo apoio dado a realização deste trabalho.
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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