Méthode Harman
Mesure directe du facteur de mérite ZT par la méthode Harman
Le facteur de mérite thermoélectrique thermoélectrique ZT peut être calculé à partir des résultats des mesures individuelles de la la conductivité électrique, le coefficient Seebeck et de la conductivité thermique ou mesurée directement. Une méthode courante de détermination directe est la méthode Harman.
Pour la mesure, un échantillon thermoélectrique sous la forme d’un cylindre ou d’une tige est contacté électriquement sur les deux faces d’extrémité et avec deux contacts sur l’une des faces latérales (voir l’image ci-dessous).
a) Installation schématique pour la mesure directe du ZT des matériaux thermoélectriques à l’aide de la méthode Harman.
b) Courbe de mesure d’une mesure Harman avec chute de tension ohmique UR et tension thermique apparente Uth avec un courant de mesure appliqué I.
Pour la précision des mesures, il est essentiel de créer des conditions adiabatiques aussi bonnes que possible, c’est-à-dire de minimiser l’échange de chaleur entre l’échantillon et l’environnement.
C’est pourquoi la mesure se fait généralement sous vide et l’échantillon est soit stocké sur pied, soit fixé sur une plaque de base thermostatée.
En outre, un bouclier thermique est généralement utilisé pour réduire l’échange de chaleur par rayonnement entre l’échantillon et l’environnement.
La mesure commence par l’application d’un courant I0 entre les contacts des faces frontales, ce qui a pour effet de chauffer une transition entre l’échantillon et l’électrode et de refroidir l’autre en raison de l’effet Peltier. Les conditions limites adiabatiques entraînent ensuite un gradient de température le long de l’échantillon, dont l’ampleur dépend du courant injecté et des propriétés thermoélectriques de l’échantillon. Les sondes de tension sur la surface latérale de l’échantillon sont utilisées pour mesurer à la fois la composante ohmique de la chute de tensionUR, due au courant imposé, et la tension thermique Uth résultant du gradient de température (voir figure 1b).
La composante ohmique est mesurée directement après l’application du courant, tandis que la tension thermique est déterminée dans l’état final stationnaire. ZT peut être déterminé directement à partir du rapport des deux tensions.
La précision de la méthode de mesure dépend fortement du respect des conditions de mesure adiabatiques et de la résistance de contact entre l’échantillon et les électrodes de courant. Cela limite la température maximale de fonctionnement de l’installation de mesure basée sur la technique Harman à une température maximale de fonctionnement de 200°C à 300°C.
Quelles sont les propriétés évaluées ?
La méthode Harman peut être utilisée pour mesurer directement le facteur de mérite thermoélectrique ZT.
Grâce à cette mesure directe, l’erreur pour ZT peut être maintenue à un niveau faible dans de bonnes conditions expérimentales, par rapport à la méthode conventionnelle de calcul de ZT à partir de mesures uniques effectuées par un LSR-3 et LFA car dans ce cas, les barres d’erreur de la mesure unique s’accumulent.
La même formule permet également de constater que la conductivité thermique, en tant que propriété du matériau, peut être calculée à partir d’une mesure combinée de Harman et du facteur de puissance. Il peut s’agir d’une solution simple et économique pour mesurer les propriétés de transport thermique des échantillons thermoélectriques à l’aide d’une plate-forme standard telle que le Linseis LSR-3.
