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Mauro Pinto Silveira
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1 Universidade Estadual de Ponta Grossa - UEPG Síntese e Preparação de Material Cerâmico Visando Aplicações Termoelétricas Walter Pinto Junior BOLSISTA PIBIC/CNPq-UEPG Curso de Engenharia de Materiais 4º Ano Orientador: Prof. Msc. Lucas M. Alves GTEME - Grupo de Termodinâmica, Mecânica e Eletrônica dos Materiais

PIBIC/CNPq-UEPG Curso de Engenharia de Materiais 4º Ano Orientador: Prof. Msc.

2 Introdução Definição de Materiais Termoelétricos Os materiais termoelétricos são aqueles capazes de gerar energia elétrica a partir de efeitos térmicos. 1.2 Condutividade Elétrica, 1.3 Condutividade termica, k

3 1.4 Coeficiente Seebeck, S 1.5 O Fator Termoelétrico, Z E a potência termoeletrica 2 S 2. Materiais Óxidos Semicondutores Z k 2.1 A Matriz de ZnO Figura - 1. Zn 1+y O. Os íons Zn+ são doadores de elétrons para a banda de condução na semicondução tipo-n. O ZnO é um semicondutor tipo n, o oxido de zinco quando exposto à atmosfera redutora, produz Zn 1+y O por remoção de algum oxigênio. Os íons Zn + que estabelecem o balanço de carga tem um elétron a mais que o total dos íons Zn 2+. Estes podem doar elétrons à banda de condução para a semicondutividade tipo-n. 2.2 Os Óxidos dopantes Al 2 O 3 Nb 2 O 5 Estes tem como característica a semicondução tipo-p.

O ZnO é um semicondutor tipo n, o oxido de zinco quando exposto à atmosfera redutora, produz Zn 1+y O por remoção de algum oxigênio.

4 Objetivos 1) Sintetizar um material cerâmico com propriedades termoelétricas para a fabricação de termoelementos 2) Obter diferentes composições para seleção do melhor material 3) Investigar a microestrutura em função do método de preparação e da composição 4) Verificar qual é o melhor método de preparação e a melhor composição em função das propriedades finais do material

3) Investigar a microestrutura em função do método de preparação e da composição 4) Verificar

5 Materiais e Métodos

6 3. Equipamento S- meter Este aparelho estabelece uma diferenca de temperatura, a qual produz por efeito Seebeck uma diferenca de potencial dada por: 1- Variac (controlador de voltagem); 2- Mini-Forno de latão em forma de copo; 3- Resistência interna maior, isolada dos copos por miçangas cerâmicas; 4- Chave seletora de leitura; 5- Multímetro. 6- a) Cabos internos: coletores da voltagem produzida pelas pastilhas, b) Cabos externos: termopares coletores das diferenças de temperaturas aplicada nas pastilhas; 7- Resistência interna menor e também isolada por miçangas cerâmicas; 8- Pastilha cerâmica.

4- Chave seletora de leitura; 5- Multímetro.

7 Resultados Obtidos Variando o tempo de sinterização 0,5 0,3 0,1 ZnO puro (t = 4:30h) S(ZnO 4:30) S(ZnO 1:30) S(Latão) Temperatura média ( o C) ,18 0,16 0,14 0,12 0, ZnO-Al2O3-5%mol t = 1:30 h ZnOAl2O3-5% mol t = 4:30h ,35 0, ,15 0,10 5 Variando a concentração do dopante ZnO-Al2O3-5%mol t = 1:30 h ZnOAl2O3-0,5% mol t = 1:30h ,0 ZnOAl2O3-0,5% mol t = 1:30h ZnOAl2O3-0,5% mol t = 4:30h 0, ,8 Temperatura média ( o C) 1,0 ZnOAl2O3-5% mol t = 4:30h ZnOAl2O3-0,5% mol t = 4:30h

0,10 5 Variando a concentração do dopante ZnO-Al2O3-5%mol t = 1:30 h ZnOAl2O3-0,5% mol t = 1:30h 0 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1,0 ZnOAl2O3-0,5% mol t = 1:30h

8 Variando o tempo de sinterização 0,5 0,3 0,1 ZnO-Nb2O5-5% mol t = 1:30h ZnO-Nb2O5-5% mol t = 4:30h ,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 ZnO-Nb2O5-0,5% mol t = 1:30h ZnO-Nb2O5-0,5% mol t = 4:30h Variando a concentração do dopante Coefiente SeeBeck (mv/ o C) 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 ZnO-Nb2O5-5% mol t = 1:30h ZnO-Nb2O5-0,5% mol t = 1:30h , ,35 0, ,15 0,10 5 ZnO-Nb2O5-5% mol t = 4:30h ZnO-Nb2O5-0,5% mol t = 4:30h

concentração do dopante Coefiente SeeBeck (mv/ o C) 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 ZnO-Nb2O5-5% mol t = 1:30h ZnO-Nb2O5-0,5% mol t =

9 Discussão O fornecimento da energia às resistências deve ter um aumento lento a uma taxa constante, o que é facilmente realizado pelo controlador de voltagem. Isto se deve a necessidade de se manter a diferença de temperatura entre as extremidades da amostra, a qual tende a se anular no decorrer do tempo, ou seja, o sistema tende a atingir o equilíbrio térmico, o que é indesejado dentro de nosso interesse. Melhores resultados podem ser alcançados quando a medida é feita na direção de altas temperaturas, porque do contrário não se pode evitar o equilíbrio térmico. No nosso caso, para aumentar o fator termoelétrico, Z, é interessante diminuir a condutividade térmica, k, e aumentar a condutividade elétrica,, sem alterar consideravelmente o coeficiente Seebeck. Observou-se a formação de uma fase escura nas cerâmicas cuja matriz era formada de ZnO (Óxido de Zinco). Por meio de considerações termodinâmicas do equilíbrio da reação, ZnO Zn + ½ O 2, é possível assegurar que esta fase é decorrente da redução do ZnO, porque acima de 1100ºC a energia livre de Gibbs, G, dado por, G = -KTln[P ZnO /P Zn.PO 2 1/2 ] favorece a decomposição do ZnO. Logo esta fase escura é devido ao Zinco metálico formado a medida que se prolonga o tempo, ou aumenta-se a temperatura,de sinterização, no interior da microestrutura cerâmica. Para se obter a medida termoelétrica real de um material em função da temperatura, é preciso subtrair do gráfico obtido o valor do coeficiente Seebeck do latão. Contudo, ao se graficar comparativamente as curvas de coeficiente Seebeck das duas amostras de ZnO juntamente com o latão, observa-se que a linha de base é praticamente nula em relação as curvas do coeficiente Seebeck das amostras de ZnO, mostrando que os gráfico são praticamente os valores reais do coeficiente Seebeck das amostras de ZnO. Os resultados obtidos para a medida do coeficiente Seebeck do ZnO puro são condizentes com os encontrados na literatura [1].

térmico, o que é indesejado dentro de nosso interesse.

10 Conclusões As flutuações nas medidas das densidades, junto com o aparecimento de fases escuras na amostra, revelam que o processo de sinteração não produziu, até então, uma microestrutura estável do material. O ZnO-Al 2 O 3 (0,5% mol) t = 4:30h apresentou os melhores resultados quanto ao coeficiente Seebeck da mesma forma no caso do ZnO- Nb 2 O 5 temos que para baixos tempos de sinterização (t = 1:30h) observou-se os melhores resultados.

O ZnO-Al 2 O 3 (0,5% mol) t = 4:30h apresentou os melhores resultados quanto ao coeficiente Seebeck da mesma

11 Agradecimentos Ao CNPq/PIBIC e a PROPESQ-UEPG pelo apoio financeiro. Ao Prof. Dr. Francisco Serbela do DEFIS, pelo uso de um variac. Os autores agradecem também ao DEMA- UEPG e ao Prof. Benjamin de Melo Carvalho pela concessão de uso do computador obtido pelo Projeto (Ref. Proc. n /00-0) financiado pelo CNPq-BRASIL Referências Bibliográficas. 1 - Y. Tanaka.; T. Ifuku; K. Tsuchida; A. Kato, Thermoeletric properties of ZnO-based materials, Journal of Materials Science Letters, vol. 16, p , (1997). 2 - Michitaka Ohtaki; Toshiki Tsubota; Koichi Eguchi; and Hiromichi Arai; High-temperature thermoelectric properties of (Zn 1-x Al x )O, Journal Applied Physics, vol. 79, n. 3, p , 1 February (1996) Lawrence H. Van Vlack, Princípios de ciência e tecnologia dos materiais, Tradução da 4 a edição/atualizada e ampliada, Editora Campus, (1984) M. G. Ambia; M. N. Islam; M. Obaidul Hakim, Studies on the Seebeck effect in semiconducting ZnO thin films, Journal of Materials Science, vol. 27, p , (1992) A. Sarkar; S. Ghosh; S. Chaudhuri e A. K. Pal, Studies on electron transport properties and the burstein moss shift in Indium-Doped ZnO films, Thin Solid Films, vol.204, p , (1981) Manuel Joaquim P.M. Ribeiro e João Carlos Castro Abrantes, Moagem em moinho de bolas: Estudo de algumas variáveis e otimização energética do processo, Revista Cerâmica Industrial, vol. 6, n.2,p.7-11, Março/Abril (2001) Martijn H. R. Lankhorst, Henny J. M. Bouwmeester e Henk Verweij, Thermodynamics and transport of ionic and eletronic defects in crystalline oxides, J. Am. Cerm. Soc. vol. 80, n. 9, p , (1997).. 8 C. S. Furtado; A. R. Ferreira; J. M. Perdigão, Condutividade elétrica e fronteira de grão no caso de cerâmicas, CERÂMICA, 35, (230), p , Março 1989.

Tsuchida; A. Kato, Thermoeletric properties of ZnO-based materials, Journal of Materials Science Letters, vol. 16, p. 155-157, (1997).

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