Estimation of the temperature-dependence of the effective thermal conductivity of miscibility gap alloys used as phase change materials

In last decades, Phase Change Materials (PCMs) have been increasingly applied in the energy sector as means to obtain heat storage or thermal management. For instance, they can be used in building passive control, waste heat recovery, HVAC systems, photovoltaic–thermal solar collectors, electronic equipment and concentrated solar power plants. Among PCMs, metallic ones offer a peculiar set of physical properties. A particular group of them includes materials characterized by the presence of one or more phases that melt at a specific temperature range combined with another phase that melts at a higher temperature, which can be consequently considered as composites. These alloys are often designed on the basis of particular alloy systems which can lead to desired properties. The choices of the alloy system and of the amount of low-melting active phase, as well as determining the energy stored/released during melting/solidification, also defines the thermal conductivity of the composite PCM, which in turn influences the 'response speed' of a thermal storage system. In fact, in these types of alloys, this property is mostly affected by the distribution and by the thermal conductivity of the single phases present in the material, which are temperature dependent. As consequence, the prediction of thermal conductivity of composites in the whole temperature range is needed. Thus, this thesis work aims to provide new values of the thermal conductivity over a temperature range of some metallic PCMs. First of all, it started with a selection of binary and ternary alloy systems of interest. Then, some samples of metallic selected PCMs were designed and produced by powder metallurgy methods, i.e. powder mixing, compression and sintering heat treatment. Finally, thermal diffusivity was measured by a Laser Flash Apparatus (LFA) and subsequently conductivity was evaluated providing several temperature-dependent data. In another section of the thesis related to modelling of the thermal conductivity for composite materials, a simplifying approach to describe the temperature dependence of a 2-phase system has been applied to Maxwell, Rayleigh and Bruggeman conventional models for predicting the effective thermal conductivity of the several selected materials. Furthermore, the effect of phase morphology on the predicted effective thermal conductivity has been investigated on some selected alloys by applying a geometry-dependent version of the Bruggeman model and the Lattice Monte Carlo method based on the actual phase microstructure observed in the produced samples. A final discussion on the comparison between models results and the discrepancies between experimental and predicted thermal conductivity data concludes this thesis work.

Negli ultimi decenni, i materiali a cambiamento di fase (Phase Change Materials - PCMs) sono stati sempre più utilizzati nel settore energetico come mezzo per ottenere accumulo di energia termica latente o nella gestione del calore. Ad esempio, possono essere applicati nel controllo passivo degli edifici, nel recupero del calore residuo, nei sistemi HVAC, nei collettori solari fotovoltaico-termici, nelle apparecchiature elettroniche e negli impianti solari a concentrazione. Tra i PCMs, quelli metallici sono quelli che offrono migliori proprietà fisiche. Un particolare gruppo di essi comprende materiali caratterizzati dalla presenza di una o più fasi che fondono ad uno specifico intervallo di temperatura combinato ad un’altra fase che fonde a temperatura maggiore, che di consequenza possono essere considerati come compositi. Queste leghe sono spesso progettate sulla base di particolari sistemi di leghe che possono portare a certe proprietà desiderate. Le scelte del sistema di lega e della quantità di fase attiva bassofondente, oltre a determinare l’energia immagazzinata/rilasciata durante la fusione/solidificazione, definiscono anche la conducibilità termica del PCM composito, che influenza a sua volta la 'velocità di risposta' di un sistema di accumulo termico. Infatti, in questi tipi di leghe, questa proprietà è influenzata soprattutto dalla distribuzione e dalla conducibilità termica delle singole fasi presenti nel materiale, ciascuna dipendente dalla temperatura. Di conseguenza, la previsione della conducibilità termica dei compositi nell'intero intervallo di temperatura si ritiene necessaria. Pertanto, questo lavoro di tesi mira a fornire nuovi valori della conducibilità termica in un intervallo di temperatura di alcuni PCM metallici. Prima di tutto, si è iniziato con una selezione di sistemi di leghe binarie e ternarie di interesse. Successivamente, alcuni campioni di PCM metallici selezionati sono stati progettati e prodotti con il metodo di metallurgia delle polveri, ovvero miscelazione delle polveri, compressione e trattamento termico di sinterizzazione. Infine, la diffusività termica è stata misurata da un dispositivo a Laser Flash (LFA) e successivamente la conduttività termica è stata valutata fornendo quindi diversi dati dipendenti dalla temperatura. In un'altra sezione della tesi relativa alla modellazione della conducibilità termica per materiali compositi, un approccio semplificativo per descrivere la dipendenza dalla temperatura di un sistema a 2 fasi è stato applicato ai modelli convenzionali di Maxwell, Rayleigh e Bruggman per predirre la conduttività termica effettiva dei diversi materiali selezionati. Inoltre, l'effetto della morfologia del materiale sulla conduttività termica effettiva prevista è stato studiato su alcune leghe selezionate applicando una versione modificata del modello di Bruggeman caratterizzata da diverse geometrie e il metodo Lattice Monte Carlo basato sulla microstruttura di fase effettiva osservata nei campioni prodotti. Infine, una discussione sul confronto tra i risultati dei modelli e le discrepanze tra i dati di conducibilità termica sperimentale e quella prevista conclude questo lavoro di tesi.