Tuning Ca3Co4O9 thermal and transport properties by TiC nanoparticles addition

Abstract

Ca3Co4O9 + xwt.% TiC (x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, and 1.0) polycrystalline thermoelectric ceramics have been prepared through the classical ceramic route. XRD characterization has demonstrated that all samples are mainly composed by the Ca3Co4O9 phase, while microstructural observation has shown that no reaction between both components has been produced. Moreover, TiC particles are well distributed for small additions, and start to agglomerate from 0.75 wt.% content. Density measurements showed that nearly no changes have been produced by TiC addition and nearly the whole porosity appears as open one. Furthermore, electrical resistivity decreases up to 0.75 wt.% addition, increasing for higher content. On the other hand, Seebeck coefficient has been maintained unchanged in all samples. In spite of an irregular behaviour of thermal conductivity with temperature, it tends to decrease when the temperature is raised, displaying the lowest values for the 0.25 wt.% samples. These data led to an increase of about 40% in ZT values at 800 °C for samples with 0.25 wt.% addition, when compared with the pure ones. Finally, linear thermal expansion coefficient is decreased when TiC content is increased, which can be exploited to fit the thermal expansion coefficients of all the components used to build a power generation thermoelectric module. Resumen: Se han preparado cerámicas de composición Ca3Co4O9 + x% en peso de TiC (x = 0, 0,25; 0,5; 0,75, y 1,0) utilizando el método clásico de estado sólido. La caracterización por XRD mostró que la fase termoeléctrica Ca3Co4O9 aparecía como mayoritaria. Las observaciones microestructurales determinaron que no se produce reacción entre esta fase y las partículas de TiC. Estas partículas aparecen bien distribuidas cuando hay pequeñas adiciones y comienzan a aglomerarse a partir del 0,75% en peso. Las medidas de densidad indicaron que este parámetro no se modifica con la adición de TiC y, además, que se produce una porosidad de tipo abierto. La presencia de TiC modifica la resistividad eléctrica de forma que disminuye hasta el 0,75% en peso de TiC, aumentando para contenidos mayores, sin afectar el coeficiente de Seebeck. La conductividad térmica muestra un comportamiento irregular, pero tiende a disminuir al aumentar la temperatura, alcanzando los menores valores en muestras con 0,25% en peso de TiC. Estos resultados llevaron a un aumento del 40% en los valores de ZT a 800 °C en muestras con 0,25% TiC en peso, comparados con los medidos en muestras sin TiC. Finalmente, el coeficiente de dilatación lineal disminuye al aumentar el contenido de TiC, lo que puede utilizarse para ajustar los coeficientes de dilatación de todos los componentes al construir un módulo termoeléctrico de generación de potencia.

Keywords

• Cerámicas
• Óxidos
• Propiedades mecánicas
• ZT
• Dilatación térmica