Study and development of Zn4Sb3 powder for laser processing

Thermoelectric materials (TE) are semiconductors capable of converting heat into electrical energy, offering interesting energy recovery applications. Among them, Zn4Sb3 is a binary semimetallic alloy with a relatively complex crystalline structure to achieve attractive TE performances between 473-673 K. Moreover, the best of all, it consists of cheap, non-toxic and earth abundant elements. The study discussed here provides a pioneer methodology for producing Zn4Sb3 powder for laser power bed sintering (L-PBS) applications. The goal was to find an effective processing route to tune the material microstructure while leaving unaffected the crystal structure. After Zn4Sb3 alloy synthesis, processing routes such as mechanical milling, tumbling, and agglomeration were investigated by working in different conditions and environments. Obtained powders were analysed and characterised at XRD and SEM for structural and morphological evaluations to find the best result regarding initial alloy purity and microstructures’ size and shape. The Zn4Sb3 ability to sinter was assessed by reproducing L-PBS tests on powder samples, adopting an optic-acoustic modulated laser system to perform the laser radiation process. The powder behaviour was evaluated working in vacuum or over-pressure conditions and changing the irradiating power and time.

I materiali termoelettrici (TE) rappresentano una classe di semiconduttori in grado di convertire una parte di calore assorbito in energia elettrica, risultando quindi molto interessanti per applicazioni di recupero energetico. Tra questi, la lega binaria semimetallica Zn4Sb3 possiede una struttura cristallina relativamente complessa, esibendo buone proprietà termoelettriche tra i 473-673 K. Inoltre, il materiale presenta una composizione chimica costituita da elementi economici, non tossici e abbondanti in natura. Lo studio in questione fornisce una metodologia innovativa per la produzione di polvere di Zn4Sb3, per il loro impiego in applicazioni di sinterizzazione laser a letto di potenza (L-PBS). L'obiettivo è stato quello di trovare una lavorazione efficace che permettesse di agire sulla microstruttura del materiale, lasciandone inalterata la struttura cristallina. Dopo la sintesi della lega, sono state analizzate le principali tecniche di lavorazione, tra cui la macinazione meccanica, la burattatura e l'agglomerazione, lavorando in condizioni e ambienti diversi. Le polveri ottenute sono state analizzate e caratterizzate tramite la spettroscopia XRD e microscopia SEM per indagare rispettivamente la microstruttura e la morfologia del materiale, individuando così il risultato migliore in termini di purezza della lega e delle caratteristiche di forma e dimensione della microstruttura. Le proprietà di interazione dello Zn4Sb3 con una radiazione luminosa sono state studiate replicando prove di sinterizzazione laser a letto di polvere, e adottando un sistema laser a modulazione ottica-acustica per il controllo del processo laser. Il comportamento della polvere è stato valutato lavorando in condizioni di vuoto o sovrapressione, modificando la potenza e il tempo del laser.