Thermo-elektrische materialen zetten warmte om in elektriciteit of omgekeerd. Echter, hun toepassing om restwarmte te oogsten wordt beperkt door uitdagingen in fabricage en materialen. Het vinden van kosteneffectieve manieren om grote en potentieel complexe oppervlakken te bedekken is een probleem gebleven, maar is van cruciaal belang om te profiteren van afvalwarmtebronnen.

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) materiaalwetenschappers hebben een additieve fabricagetechniek gebruikt, koude sproeiafzetting genoemd, om thermo-elektrische generatoren te creëren die restwarmte van voorheen ontoegankelijke bronnen kunnen oogsten, zoals buizen met complexe geometrieën. De generatoren leveren goede prestaties over een breed temperatuurbereik.

Afvalwarmte is een enorme onbenutte hulpbron. Dertien biljard BTU's aan energie gaan jaarlijks verloren door afvalwarmte door de Amerikaanse industrie. een BTU, of Britse thermische eenheid, is een meeteenheid voor energie; 3, 600 BTU komt overeen met ongeveer 1 kilowattuur.

Maar slechts drie quads van BTU worden teruggewonnen en aan het werk gezet door co-locatie van processen, energieterugwinning via boilers en thermo-elektrische terugwinning. Een uitdaging bij het oogsten van de energie is het bedenken van een generator die de warmte efficiënt kan oogsten. Om een ​​thermo-elektrisch materiaal effectief te laten zijn, moet het de temperatuurgradiënt in spanning omzetten. Het vereist ook een hoge elektrische geleidbaarheid, maar lage thermische geleidbaarheid.

In het nieuwe onderzoek verschijnen in de Dagboek van de mineralen, Metals &Materials Society ( JOM ), het team heeft een bismut-telluridepoeder koud gespoten op substraten variërend van roestvrij staal tot aluminiumsilicaat en kwarts. Het versproeide materiaal had een willekeurig georiënteerde microstructuur die grotendeels vrij was van poriën en de koude-sproeiafzetting werd bereikt zonder wezenlijke veranderingen in samenstelling.

"Deze resultaten demonstreren de kracht en veelzijdigheid van additieve productie met koude spray en bieden een weg naar fabricage van thermo-elektrische generatoren in complexe geometrieën die ontoegankelijk zijn voor generatoren die met traditionele benaderingen zijn gemaakt, " zei LLNL materiaalfysicus Alex Baker, hoofdauteur van het artikel.

Koud spuiten van coatings wordt in de industrie veel gebruikt voor corrosiebestendige bekledingen, oppervlaktefunctionalisering en gelokaliseerde reparatie. Bij deze techniek, metaaldeeltjes op micronschaal worden meegevoerd in supersonisch gas en op een metalen oppervlak gericht. Bij impact, de deeltjes vervormen plastisch en hechten zich aan het oppervlak of aan elkaar.

Koud spuiten is meestal beperkt tot kneedbare materialen, waardoor het zeer geschikt is voor structurele elementen en legeringen, maar is niet goed uitgerust voor functionele materialen, die doorgaans bros zijn. In samenwerking met industriële partner TTEC Thermoelectric Technologies, LLNL werkt aan de uitbreiding van het assortiment materialen dat koud kan worden gespoten als onderdeel van het Technology Commercialization Funds (TCF)-programma dat wordt gefinancierd door het ministerie van Energie.

"Cold-spray werkt bij relatief lage temperaturen, onder het smeltpunt van de meeste functionele materialen, dus het is aantrekkelijk om de mogelijkheid te overwegen van een additieve fabricagetechniek die de op maat gemaakte microstructuur behoudt die functionele eigenschappen aanstuurt, ' zei Bakker.

Thermo-elektrische generatoren (TEG's) hebben geen bewegende delen, zijn niet gebaseerd op chemische reacties en hebben een lange levensduur zonder onderhoudsvereisten, waardoor ze uitstekende kandidaten zijn voor stroombronnen op afgelegen of ontoegankelijke locaties. Daten, adoptie van TEG's om restwarmte te oogsten is beperkt, gedeeltelijk vanwege de moeilijkheid om onderdelen te fabriceren die innig thermisch contact maken met koelvinnen of die worden uitgestraald door overdrachtsleidingen.

Het team concludeerde dat koude sproeidepositie bulkstukken van thermo-elektrisch bismuttelluride op een breed scala aan substraten kan fabriceren. zonder verlies van structurele integriteit, wat aantoont dat cold-spray een levensvatbaar alternatief is voor traditionele productiebenaderingen voor thermo-elektrische materialen.

"Een van onze doelen is om deze technologie naar LLNL te brengen, waar het kan worden toegepast op een breed scala aan additieve fabricageproblemen, " zei Harry Radousky, TCF hoofdonderzoeker.