Aleaciones de alta entropía para aplicaciones termoeléctricas

Introducción

Las aleaciones de alta entropía (HEAs) han surgido recientemente como materiales prometedores para aplicaciones termoeléctricas de alta temperatura debido a sus propiedades únicas. Estas son algunas de las ventajas de utilizar HEAs para aplicaciones termoeléctricas. Esperamos que pueda comprender mejor las características y aplicaciones de las aleaciones de alta entropía.

¿Qué es una aleación de alta entropía?

Laaleación de alta entropía es un tipo de aleación que contiene al menos 5 elementos, cuya proporción es igual o aproximadamente igual. En comparación con las aleaciones tradicionales, no tienen un único elemento base, sino que están formadas por varios elementos principales. Esta composición única da lugar a una estructura desordenada, una elevada entropía y, lo que es más importante, unas propiedades y aplicaciones excepcionales.

Los HEA destacan por sus propiedades únicas e impresionantes que no tienen las aleaciones convencionales. Estas características incluyen alta resistencia, gran ductilidad, alta conductividad eléctrica y estabilidad térmica superior. Estas aleaciones también poseen una excelente resistencia al desgaste, a la corrosión y a las altas temperaturas, lo que las convierte en materiales ideales para entornos difíciles.

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Figura 1 Ejemplos de aleaciones de alta entropía

Con estas propiedades estructurales y funcionales, las aleaciones de alta entropía tienen una gran variedad de aplicaciones, incluidas las aeroespaciales, de automoción y biomédicas. Este artículo va a explorar las aleaciones de alta entropía utilizadas para aplicaciones termoeléctricas en particular.

¿Qué son los materiales termoeléctricos?

La popularidad de la tecnología termoeléctrica (TE) aumenta rápidamente a medida que la demanda de energía aumenta constantemente. Por un lado, se utiliza una gran cantidad de energía renovable para satisfacer la creciente demanda energética. Por otro, la tecnología TE es una opción atractiva ya que puede utilizar la energía del calor residual. Además, los materiales TE tienen un tamaño operativo reducido y pueden aplicarse a la refrigeración de estado sólido, la electrónica portátil y wearable, etc.

En la tecnología TE se emplea una amplia gama de materiales avanzados para la conversión directa de la energía del calor residual en energía eléctrica. Los materiales termoeléctricos más comunes son Zintl, Heusler, SiGe, MgSi, clatratos y CoSb3-Ba. También son útiles el Pb(Te, Se, S)-SeTe, el SiGe y las skutteruditas [2]. [2] Sin embargo, varias aleaciones de alta entropía surgen como nuevos materiales TE de vanguardia con propiedades de alta temperatura.

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Figura 2. Ejemplos de materiales TE Ejemplos de materiales TE

¿Por qué las aleaciones de alta entropía son adecuadas para aplicaciones termoeléctricas?

Las HEAs son muy adecuadas para aplicaciones TE por las siguientes características.

--Alta estabilidad térmica

En primer lugar, presentan una alta estabilidad térmica debido a su alta entropía configuracional, que da lugar a una distribución aleatoria de los átomos. Esta estructura desordenada reduce la aparición de transformaciones de fase, incluso a altas temperaturas, lo que convierte a los HEA en materiales excelentes para aplicaciones termoeléctricas.

--Alta conductividad térmica

En segundo lugar, su naturaleza metálica determina su elevada conductividad térmica, que conlleva una alta movilidad de los electrones y una baja resistencia al flujo de calor. Esto hace que los HEAs sean excelentes materiales TE porque se desea una alta conductividad térmica para mejorar la eficiencia de la transferencia de calor en aplicaciones TE.

--Alta conductividad eléctrica

Aparte de las propiedades térmicas, los HEA presentan una alta conductividad eléctrica, lo que permite una conversión eficaz del calor en electricidad. Por lo tanto, los HEA se convierten en una opción excelente para la generación de energía termoeléctrica.

--Bajo coeficiente de expansión térmica

Los HEA tienen un bajo coeficiente de expansión térmica debido a su disposición atómica aleatoria. Esto reduce la probabilidad de tensiones térmicas o deformaciones, lo que convierte a los HEA en materiales excelentes para aplicaciones termoeléctricas.

--Propiedades mecánicas mejoradas

Además, la estructura desordenada mejora las propiedades mecánicas de los HEA, como la resistencia y la ductilidad. Estas características mecánicas hacen que los HEA sean materiales excelentes para aplicaciones termoeléctricas de alta temperatura, ya que se necesitan materiales con alta resistencia y ductilidad para soportar las duras condiciones de funcionamiento.

Conclusión

En una palabra, los HEA ofrecen numerosas ventajas para las aplicaciones termoeléctricas, entre las que se incluyen una elevada estabilidad térmica, una alta conductividad térmica y eléctrica, un bajo coeficiente de expansión térmica y unas propiedades mecánicas mejoradas. Estas propiedades únicas hacen de los HEAs una alternativa prometedora a los materiales TE tradicionales y podrían conducir al desarrollo de dispositivos termoeléctricos más eficientes y duraderos.

Stanford Advanced Materials (SAM) es un proveedor fiable de aleaciones de alta entropía. Hay muchos HEA de calidad que se utilizan para aplicaciones termoeléctricas, impresión 3D, etc. También disponemos de HEA de diferentes formas. Envíenos una consulta si está interesado.

Referencias:

[1] Saro San, Yang Tong, Hongbin Bei, Boopathy Kombaiah, Yanwen Zhang, Wai-Yim Ching, First-principles calculation of lattice distortions in four single phase high entropy alloys with experimental validation, Materials & Design, Volumen 209, 2021, 110071, ISSN 0264-1275, https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110071.

[2] Shafeie, Samrand y Guo, Sheng. (2020). Beneficios de la Selección y Uso de Aleaciones de Alta Entropía para Aplicaciones Termoeléctricas de Alta Temperatura. 10.1201/9780367374426-16.

[3] Zeng, Minxiang & Zavanelli, Duncan & Chen, Jiahao & Saeidi-Javash, Mortaza & Du, Yipu & LeBlanc, Saniya & Snyder, G. & Zhang, Yanliang. (2021). Printing thermoelectric inks toward next-generation energy and thermal devices. Chemical Society Reviews. 51. 10.1039/D1CS00490E.