La métallurgie des poudres comme technique parfaite pour la préparation du Cu

Jun 13, 2023

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 7034 (2023) Citer cet article

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La métallurgie des poudres (PM) est une technique qui implique la fabrication de poudres métalliques et leur consolidation en produits finis ou composants. Ce processus implique le mélange de poudres métalliques avec d'autres matériaux tels que la céramique ou les polymères, suivi de l'application de chaleur et de pression pour produire un matériau solide et dense. L'utilisation de MP présente plusieurs avantages par rapport aux techniques de fabrication traditionnelles, notamment la possibilité de créer des formes complexes et la production de matériaux aux propriétés améliorées. Les matériaux composites Cu-TiO2 présentent un grand intérêt en raison de leurs propriétés uniques, telles qu'une conductivité électrique élevée, une résistance mécanique améliorée et une activité catalytique accrue. La synthèse de composites Cu – TiO2 à l'aide de la technique PM a gagné en popularité ces dernières années en raison de sa simplicité, de sa rentabilité et de sa capacité à produire des matériaux avec une excellente homogénéité. La nouveauté de l'utilisation de la technique PM pour la préparation du composite Cu-TiO2 réside dans le fait qu'elle permet la production de matériaux avec des microstructures et des propriétés optiques contrôlées. La microstructure du composite peut être affinée en contrôlant la taille des particules et la distribution des poudres de départ, ainsi que les paramètres de traitement tels que la température, la pression et le temps de frittage. Les propriétés optiques du composite peuvent également être adaptées en ajustant la taille et la distribution des particules de TiO2, qui peuvent être utilisées pour contrôler l'absorption et la diffusion de la lumière. Cela rend les composites Cu-TiO2 particulièrement utiles pour des applications telles que la photocatalyse et la conversion de l'énergie solaire. En résumé, l'utilisation de la métallurgie des poudres pour la préparation du composite Cu-TiO2 est une technique nouvelle et efficace pour produire des matériaux avec des microstructures et des propriétés optiques contrôlées. Les propriétés uniques des composites Cu-TiO2 les rendent attractifs pour une large gamme d'applications dans divers domaines, notamment l'énergie, la catalyse et l'électronique.

La métallurgie des poudres est une technique polyvalente et largement utilisée pour produire des matériaux composites. Ces dernières années, la préparation de composites Cu-TiO2 à l'aide de la métallurgie des poudres a attiré une attention particulière en raison de ses applications potentielles dans divers domaines tels que l'aérospatiale, l'électricité et les industries biomédicales1. Les principaux avantages de l'utilisation de cette technique pour la préparation de composites Cu-TiO2 comprennent sa capacité à contrôler la microstructure du composite, son faible coût et sa grande efficacité. Dans cet essai, nous discuterons de la valeur innovante et de recherche de la métallurgie des poudres en tant que technique parfaite pour la préparation du composite Cu – TiO2 en identifiant leur microstructure et leurs propriétés optiques2.

Le premier aspect innovant de la métallurgie des poudres est sa capacité à contrôler la microstructure du matériau composite3. La métallurgie des poudres implique le mélange de poudres métalliques avec des particules de céramique, qui sont ensuite compactées et frittées pour produire le composite final. Le procédé permet un contrôle précis de la taille, de la distribution et de l'orientation des particules de céramique dans la matrice métallique4. Cela permet d'optimiser les propriétés mécaniques, électriques et optiques du matériau composite. Dans le cas du composite Cu-TiO2, la microstructure du composite peut être adaptée pour obtenir des propriétés souhaitables telles qu'une dureté élevée, une résistance élevée à l'usure et une bonne conductivité électrique5.

Le deuxième aspect innovant de la métallurgie des poudres est son faible coût. Par rapport à d'autres techniques telles que la coulée ou le forgeage, la métallurgie des poudres est une méthode plus rentable pour produire des matériaux composites6. En effet, le processus permet une utilisation efficace des matières premières, avec un minimum de déchets. De plus, la technique est hautement automatisée, ce qui réduit les coûts de main-d'œuvre et améliore la reproductibilité du produit final7.

Le troisième aspect innovant de la métallurgie des poudres est son haut rendement. La technique permet la production de formes et de géométries complexes, ce qui n'est pas possible avec d'autres méthodes telles que la coulée ou le forgeage8. En effet, le processus implique l'utilisation de moules et de matrices, qui peuvent être facilement conçus pour produire des formes complexes. Dans le cas du composite Cu-TiO2, la technique peut être utilisée pour produire des composants aux formes et caractéristiques complexes, ce qui est utile pour des applications telles que la microélectronique et les implants médicaux9.

La microstructure du composite Cu-TiO2 produit par la métallurgie des poudres est un autre aspect important qui contribue à sa valeur d'innovation et de recherche. La microstructure du matériau composite détermine ses propriétés mécaniques, électriques et optiques10. Dans le cas du composite Cu-TiO2, la microstructure peut être adaptée pour obtenir des propriétés souhaitables telles qu'une dureté élevée, une résistance à l'usure et une bonne conductivité électrique11. La microstructure du composite peut être analysée à l'aide de diverses techniques telles que la microscopie électronique à balayage (SEM) et la diffraction des rayons X (XRD).

Les propriétés optiques du composite Cu-TiO2 sont un autre aspect important qui contribue à sa valeur d'innovation et de recherche12. Le composite présente d'excellentes propriétés optiques en raison de la présence de particules de TiO2 dans la matrice métallique. Le TiO2 est un photocatalyseur bien connu, et son incorporation dans la matrice métallique donne un matériau qui présente d'excellentes propriétés optiques telles qu'une transparence élevée et une excellente absorption des UV13. Ces propriétés rendent le matériau composite utile pour des applications telles que les cellules solaires, les capteurs et les revêtements optiques14.

La valeur d'innovation et de recherche de la métallurgie des poudres en tant que technique parfaite pour la préparation du composite Cu-TiO2 se retrouve également dans ses applications dans divers domaines tels que l'aérospatiale, l'électricité et les industries biomédicales15. Dans l'industrie aérospatiale, le matériau composite peut être utilisé pour produire des composants tels que des aubes de turbine, qui nécessitent une résistance et une résistance à l'usure élevées16. Dans l'industrie électrique, le matériau composite peut être utilisé pour réaliser des contacts électriques, qui nécessitent une bonne conductivité électrique et une bonne résistance à l'usure. Dans l'industrie biomédicale, le matériau composite peut être utilisé pour produire des implants médicaux17.

L'étude vise à améliorer l'activité photocatalytique des nanoparticules de cuivre pour diverses applications18. Le cuivre est considéré comme l'un des meilleurs métaux à utiliser avec les surfaces en dioxyde de titane (TiO2), car il peut augmenter considérablement l'amplification de l'activité photocatalytique. Pour ce faire, des nanocatalyseurs de cuivre dopés au TiO2 ont été créés par broyage mécanique19. L'étude a utilisé différents pourcentages en poids de dioxyde de titane et l'acide stéarique a été utilisé comme agent de contrôle du processus20. Les chercheurs ont découvert que les nanocomposites en poudre Cu–TiO2 contenant 10, 20, 30 et 40 % en poids de dioxyde de titane présentaient une activité photocatalytique élevée21. L'étude a également mentionné l'utilisation de TiO2 dans divers produits de tous les jours, tels que les peintures, les papiers, le dégagement d'hydrogène gazeux et les produits cosmétiques, entre autres. En outre, l'article discutait des avantages de l'utilisation du dioxyde de titane comme nanomatériau semi-conducteur dans les applications photocatalytiques en raison de ses caractéristiques optiques et électroniques optimales, de sa résistance à la corrosion, de sa stabilité chimique et de sa non-toxicité22. Malgré sa large bande interdite, le TiO2 est un choix populaire pour une utilisation en tant que couche tampon dans les cellules solaires et peut être amélioré grâce à diverses techniques telles que la création de matériaux composites et le dopage avec des atomes métalliques appropriés. Le cuivre est un dopant prometteur pour le TiO2, car il a une meilleure conductivité électrique et est plus facilement disponible et moins cher que d'autres métaux comme l'argent23.

Dans cet article, le cuivre pur a été sélectionné comme matériau de matrice car il a été généralement utilisé dans de nombreuses applications récentes. Le dioxyde de titane a été choisi pour être utilisé comme matériau de renforcement pour fabriquer les échantillons. Une poudre de cuivre d'une pureté de 99,9% (fournie par Alpha Chemicals, USA) avec une taille moyenne de particule de 10 μm a été utilisée comme matrice métallique. De la poudre de TiO2 d'une pureté de 99,7 % (fournie par Alpha Chemicals, USA) d'une taille moyenne de 50 nm a été utilisée comme renfort. La taille moyenne de la poudre de Cu et de TiO2 sur les figures 4a et b est bien supérieure à 10 μm et 50 nm, respectivement, mentionnées dans la partie des matières premières. La source de données de la taille moyenne des particules a été fournie par Alpha Chemicals, USA.

Les mélanges de poudre de Cu contiennent 10, 20, 30 et 40 % en poids de TiO2 qui a été mélangé à l'aide de billes en céramique de zircone est utilisé dans le processus de mélange mécanique, dans lequel si des billes en acier inoxydable sont utilisées, certaines contaminations avec du fer peuvent se produire. Mais les billes de zircone sont inertes à toute réaction et donc dures. Le broyeur à boulets utilisé dans le processus de préparation dans un broyeur à boulets planétaire à quatre vails. La poudre de cuivre utilisée dans ce travail est du cuivre semi-sphérique atomisé. Une technique de broyeur à billes pendant 24 h jusqu'à obtention d'un mélange homogène. Le tableau 1 résume les spécifications de la matrice et des renforts utilisés pour cette étude. Cet article a appliqué la méthode de la métallurgie des poudres pour produire le nanocomposite hybride Cu-TiO2 recommandé. Tout d'abord, les poudres composites de Cu et TiO2 ont été pesées en fonction des fractions requises à l'aide d'une balance électronique sensible d'un niveau de précision de 0,1 mg. Ensuite, les poudres composites lestées ont été mélangées dans un flacon en acier inoxydable et protégées de l'oxydation à l'aide d'argon pur, avec un rapport bille d'acier sur poudre (BPR) de 20: 1, un diamètre de bille de 5 mm et une vitesse de rotation de 250 tr/min. L'acide stéarique (1,5% en poids) a été utilisé comme agent de contrôle du processus (PCA). La figure 1 montre la composition et la nomenclature des échantillons préparés.

Schéma de principe pour la fabrication de poudres composites Cu – TiO2 à un pourcentage en poids différent de TiO2 10, 20, 30 et 40 % en poids.

Les investigations sur les caractéristiques microstructurales des poudres composites ont été réalisées en utilisant la microscopie électronique à balayage et la spectroscopie à dispersion d'énergie (SEM/EDS). L'objectif principal de l'utilisation de telles techniques d'analyse est d'identifier la dispersion uniforme des matériaux de renforcement dans la matrice, la microstructure des composites et les phases des composites. Selon cela, cet article a également appliqué la technique de diffraction des rayons X (XRD) pour identifier les phases des poudres mélangées à l'aide d'un diffractomètre avec un rayonnement Cu K-alpha et fonctionnant à 40 kV. Les échantillons sont examinés en utilisant la spectroscopie IR pour étudier les spectres de bande d'absorption. De plus, les propriétés antireflet ont été étudiées.

D'autre part, les conductivités électriques et thermiques ont été évaluées à l'aide de l'instrument de résistivité électrique PCE-COM20. La conductivité thermique peut être calculée à l'aide de l'équation. (1)24.

où K désigne la conductivité thermique en W/m. K, L est le nombre de Lorentz (pour les composites L = 2,45 × 10–8 W Ω K−2), T désigne la température absolue en K, et enfin, σ est la conductivité électrique en Ω−1 m−1.

Des échantillons pour les mesures de conductivité électrique ont été produits en compactant les poudres broyées à une pression de 0,37 GPa à 90C. Le diamètre des échantillons était de 10 mm avec une hauteur de 6 mm. La résistivité électrique des échantillons compactés a été mesurée à température ambiante (50 % d'humidité relative) entre des électrodes d'or avec une méthode de courant alternatif à une fréquence de 1 kHz.

La tâche principale de XRD est de déterminer et d'examiner la composition de phase et la structure de phase de la cristallinité Cu – TiO2. XRD est une méthode non destructive largement utilisée pour caractériser les matériaux cristallins. La structure, la phase, la cristallinité et la taille des matériaux ont été démontrées en utilisant l'analyse XRD. Les équations de Scherrer sont utilisées pour calculer la taille cristalline du matériau25.

où d est la taille des cristallites, β est la pleine largeur du demi-maximum, θ est l'angle de diffraction et λ est la longueur d'onde des rayons X du rayonnement X26.

Les diagrammes de diffraction pour diverses concentrations de TiO2 dopé en Cu sont illustrés à la Fig. 2. Deux phases de TiO2 tétragonal sont observées lorsqu'elles sont dopées avec 40 % de TiO2 ; l'une de ces phases est le TiO2 anatase (le pic avec l'intensité la plus élevée), et l'autre phase est le TiO2 rutile (le pic avec l'intensité la plus faible qui est adjacent au pic avec l'intensité la plus élevée, qui représente une très petite quantité de TiO2 rutile ) (la poudre de TiO2 telle que réenregistrée a à la fois les phases anatase et rutile). Une activité photocatalytique élevée peut être attribuée à cette quantité très modeste, qui fonctionne dans la phase anatase comme un défaut structurel ou une impureté. Suite à une réduction du pourcentage de TiO2, seuls des pics de diffraction anatase ont été observés dans des échantillons contenant diverses quantités de TiO2. Il est également possible de remarquer que la majorité des 2 emplacements des pics du diagramme de diffraction primaire ne bougent pas, ayant des valeurs identiques de Cu pur, à l'exception des variations des intensités de ces pics. C'est quelque chose qui peut être observé dans tous les échantillons (c'est-à-dire que l'intensité diminue à mesure que le TiO2 augmente). Comme les rayons des ions Ti4+ sont trop grands pour remplacer les ions Cu+ dans la matrice Cu, l'ajout de TiO2 n'a pas entraîné de modifications significatives de la cristallinité du matériau. Mis à part les pics associés au cuivre et au dioxyde de titane, il n'y a pas d'autres pics liés à de nouveaux composés ou phases. Il s'agit d'une référence à l'absence de réaction entre le cuivre et le dioxyde de titane.

Représentant les modèles XRD de diverses concentrations de TiO2 dopés dans la matrice Cu (a) 10, (b) 20, (c) 30 et (d) 40 % en poids de TiO2.

Il n'y a eu aucune observation de pics intermétalliques entre le cuivre et le dioxyde de titane, et ceci est le résultat direct du broyage bien régulé effectué par la machine. La structure du cuivre métallique est connue sous le nom de FCC (Face Centered Cubic) et son rayon atomique est de 128 pm. En revanche, la structure du titane est connue sous le nom de HCP (Hexagonal Close Packed) et son rayon atomique est de 147 pm. Cu avec son rayon atomique plus petit peut remplacer les atomes de Ti ou les interstitiels incorporés dans les cristaux de Ti, ce qui est causé par l'interaction entre les cristaux de Cu et de Ti, qui est causée par le mélange de Cu et de TiO2 en utilisant un broyage mécanique pendant une longue période avec une vitesse de rotation élevée. Cela se produit en raison de l'interaction entre les cristaux de Cu et de Ti. De ce fait, il y a certains décalages dans la structure des cristallites, ce qui est un signe de mélange réussi entre la matrice Cu et TiO2 comme renfort. Dans une plus large mesure, l'interaction entre Cu et TiO2 peut être considérée comme ayant eu lieu à la suite de l'examen de la structure cristalline si l'on utilise des paramètres appropriés pour le processus de broyage mécanique. Pour déterminer la taille des cristallites, la pleine largeur à mi-hauteur (FWHM) des pics de diffraction a été utilisée conjointement avec l'approche de Scherer. Les résultats des calculs sont donnés dans le tableau 2. La plus petite taille de particule du TiO2 peut conduire à une plus grande surface spécifique et au rapport surface/volume de la cellule solaire, ainsi qu'à une bande interdite accrue, ce qui peut augmenter la rendement de la cellule solaire. Plusieurs enquêtes et mesures ont conduit les chercheurs à la conclusion que la réduction de la taille cristalline des cellules à base de TiO2 peut aider à améliorer leur production photovoltaïque en augmentant la durée de vie des électrons, en facilitant un transport plus rapide des électrons, en augmentant l'efficacité de la collecte de charge et en réduisant la quantité de recombinaison qui se produit27 .

Comme on peut le voir sur la figure 3, les vibrations d'étirement et de flexion OH sont responsables des bandes d'absorption dans les spectres, qui ont été trouvées à 3426 et 1620 cm-1 respectivement. De plus, entre 500 et 900 cm−1, une bande de Ti–O a été détectée. Les intensités des bandes OH (à la fois en étirement et en flexion) et des bandes Ti-O, en revanche, ont chuté à mesure que la quantité de Cu dans l'échantillon augmentait28. Le fait que les pics dans la zone entre 500 et 1000 cm−1 soient distincts de ceux du CuO pur et du TiO2 pur implique la formation de nouvelles liaisons métal-oxygène. Ces résultats donnent du crédit à l'hypothèse selon laquelle une liaison d'oxyde mixte (Ti – O – Cu) s'est formée puisque des preuves de ce type de liaison ont été observées à 2922 cm-1. Après avoir été traité, il a été constaté que le photocatalyseur TiO2 avait une quantité importante de vapeur d'eau et de groupes hydroxyle de surface adsorbés29.

Représentation des spectres DRIFTS du catalyseur Cu – TiO2 à différentes teneurs en Cu 10, 20, 30 et 40 % en poids de TiO2. (a) Représente Cu + 10 % en poids de TiO2 ; (b) représente Cu + 20 % en poids de TiO2 ; (c) représente Cu + 30 % en poids de TiO2 ; et (d) représente Cu + 40 % en poids de TiO2. Les pics se réfèrent aux bandes d'absorption dans les spectres, puisqu'à 3426 et 1620 cm−1 qui sont dus à l'étirement OH et aux vibrations de flexion. La bande Ti–O a été détectée entre 500 et 900 cm−1. La liaison oxyde mixte (Ti–O–Cu) apparaît à 2922 cm−1.

Des micrographies SEM du composite Cu renforcé avec du nano-TiO2 ont été illustrées à la Fig. 4. Les figures 4a et b montrent respectivement le Cu pur et le TiO2 pur. La microstructure de la poudre composite Cu – TiO2, sur les figures 4c – f, correspond respectivement à 10, 20, 30 et 40% en poids de TiO2 dans la matrice Cu. Comme on le sait, le paramètre nécessaire dans la production de nanocomposites est un nano-renforcement approprié et bien dispersé dans la matrice métallique. Les particules de nano-TiO2 ont été réparties de manière uniforme dans tout le composite à matrice Cu, comme le montre la Fig. 4. Une autre observation qui peut être faite est que le matériau de renforcement nano-TiO2 a été dispersé de manière appropriée, piégé à l'intérieur de la matrice Cu, et adhère très fortement puisque le TiO2 est une substance utile au fonctionnement des cellules solaires. En conséquence, l'amélioration de l'activité photocatalytique du composite Cu-TiO2 créé en l'ajoutant à la matrice de cuivre à l'échelle nanométrique en quantités d'un pourcentage considérable, comme 20, 30 et 40 % en poids, et en le mélangeant bien mécaniquement est le moyen le plus efficace de le faire.

Représentatif des micrographies SEM du composite Cu avec différentes concentrations de nano-TiO2 (a) représente Cu uniquement (b) représente Cu uniquement à un grossissement plus élevé (c) représente Cu avec 10 % en poids de TiO2 (d) représente Cu avec 20 % en poids. % TiO2 (e) représente Cu avec 30 % en poids de TiO2 (f) représente Cu avec 40 % en poids de TiO2.

De plus, le TiO2 est une substance céramique qui peut fonctionner comme un pore interne, réduisant ainsi la taille des particules de cuivre. Il en résulte une augmentation de la surface, qui à son tour entraîne une augmentation de l'activité photocatalytique. Les quantités de poudre brute de TiO2 telles que réenregistrées dans les phases anatase et rutile et le rutile avaient des pics très mineurs, qui n'apparaissaient que dans le pourcentage élevé de TiO2 (40 %). Ces résultats indiquent que l'échantillon de 40 % contient deux types différents de TiO2 tétragonal. Cependant, lorsque le rapport de TiO2 est plus petit, les pics de rutile ne ressortent pas aussi clairement en raison du faible rapport, ce qui rend l'intensité du pic plutôt faible.

En raison de la procédure de broyage efficace, les particules de Cu et de TiO2 se sont avérées avoir atteint un niveau élevé d'homogénéité dans tous les échantillons. Lorsque le rapport billes/poudre est optimisé à 20:1, la période de broyage est prolongée à 24 h et la vitesse de rotation est augmentée à 250 tours par minute (tr/min), les particules de cuivre subissent un durcissement et une fracture, ce qui se traduit par une diminution de la taille des particules. La granulométrie des particules de Cu a été réduite suite à l'augmentation du pourcentage de TiO2 présent. Cela peut être dû à la qualité céramique des particules de TiO2 ; ces particules fonctionnent comme des boules internes et provoquent des fractures dans les particules de Cu. Pour la Fig. 4c – f, les particules de TiO2 sont bien intégrées dans les particules de Cu pendant le processus de broyage mécanique. De plus, ils sont bien répartis dans la matrice Cu. TiO2 en nano 50 nm et A Cuivre en poudre (fourni par Alpha Chemicals, USA) avec un 10 μm. Ainsi, les petites particules dans les images SEM correspondent au TiO2 et les plus grosses particules appartiennent au cuivre.

Peu de particules de TiO2 sont des agrégats sous forme de poches, pour des échantillons à 40 % en poids de TiO2. Cela peut être attribué à la grande surface entre les particules métalliques de Cu et celles en céramique de TiO2. Il n'y a pas de mouillabilité entre eux. Aussi, une grande différence entre leurs points de fusion. L'analyse EDS des échantillons de Cu – TiO2 est illustrée à la Fig. 5 et au Tableau 3, car les poudres composites contiennent des pics pour les atomes de Cu, Ti et O. Et toutes les poudres composites préparées n'ont pas de grains équiaxes.

Représentez l'image EDX des nanoparticules Cu – TiO2 et vous pouvez voir l'existence de Cu et Ti avec un rapport plus élevé. La couleur bleue représente le Cu sans TiO2 et la couleur rouge représente le Cu avec 40 % en poids de TiO2. On remarque que les poudres composites contiennent des pics pour les atomes de Cu, Ti et O.

Les spectres UV-vis-IR sont illustrés à la Fig. 6 et indiquent comment la réflectance du spectre UV-vis-IR est affectée par les différentes concentrations de dopant de cuivre produit. Au fur et à mesure que la concentration de TiO2 augmentait, il a été découvert que la réflectance se déplaçait dans la zone visible de la lumière, et cela était dû au déplacement de l'énergie de la bande interdite qui s'avère être plus faible lorsqu'il y a une concentration plus élevée de TiO2. Selon la théorie de Kubelka – Munk, la fonction Schuster – Kubelka – Munk est donnée en termes de bande interdite optique (Eg) comme suit :

où h est la constante de Planck, ν est la fréquence de vibration et A est une constante de proportionnalité.

Représentatif des spectres de réflectance UV–vis–IR de Cu–TiO2 avec différents pourcentages en poids de 20, 30 et 40 % en poids de TiO2.

La valeur de l'exposant n signifie la nature de la transition, avec n = 1/2 ou 2 pour la transition directe/indirecte autorisée, respectivement. Par conséquent, l'énergie de la bande interdite peut être évaluée à partir des spectres de réflectance en extrapolant le tracé en ligne droite de (F(R∞) *hν)2 ou (F(R∞)*hν)1/2 par rapport à (hν) comme indiqué dans Fig. 7. Le tableau 4 montre les valeurs de la bande interdite pour différentes concentrations de TiO2.

Représentatif des graphiques hvFSKM(R))2 vs hv de Cu-TiO2 à différents pourcentages en poids de 10, 20, 30 et 40 % en poids de TiO2.

Cette modification de la bande interdite peut être probablement due à la fusion des ions Ti dans la structure cristalline de Cu et aux centres de défaut formés par la substitution de Cu par des ions Ti dans le réseau cristallin de Cu entraînant des modifications de l'absorption optique. La bande interdite peut également être déterminée par la formule suivante :

où h (constante de planches) = 6,63 × 10–34 Js ; C (vitesse de la lumière) = 3,0 × 108 m/s ; λcutoff (longueur d'onde de coupure) = 4,11 × 10–7 m. Remarque : 1 eV = 1,6 × 10–19 J (facteur de conversion).

La concentration appropriée de TiO2 dans la matrice Cu est de 20 à 40 % pour une application de cellule solaire. Cela est dû à la nécessité d'un matériau renforcé dans l'amélioration de la collecte de lumière de la cellule et aux caractéristiques importantes des matériaux mésoporeux TiO2. Ces caractéristiques telles que la surface spécifique élevée, la distribution de la taille des pores et la fourniture de sites plus réactifs sur les surfaces pour les réactions photocatalytiques.

Selon les excellentes propriétés optiques et le faible coût de dépôt des couches minces de dioxyde de titane (TiO2), elles ont une longue histoire dans le silicium photovoltaïque (PV) en tant que revêtements antireflet (AR). Cette étude identifie plusieurs applications inexplorées pour les couches minces de Cu-TiO2, notamment l'amélioration des performances des cellules solaires en silicium (Si), la réduction des coûts associés à la fabrication des dispositifs et la simplification du processus de préparation30. Une technologie connue sous le nom de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) a été utilisée pour déposer des couches de Cu-TiO2. L'installation est fournie par le laboratoire Nano de l'ERI, qui aide l'équipe. Un revêtement antireflet monocouche, abrégé en SLAR, est le strict minimum requis pour la fabrication de cellules solaires au silicium dans le monde d'aujourd'hui. Le silicium et d'autres matériaux qui sont des semi-conducteurs peuvent être utilisés efficacement pour absorber la lumière. En revanche, ces substances ont des indices de réfraction relativement élevés31.

La variété des concentrations de dopage et montre la distribution spectrale de la transmission optique des films de TiO2 dopés au cuivre. Cette figure montre également la gamme des concentrations de dopage. La partie du spectre électromagnétique qui est ultraviolette ainsi que la partie visible ont été utilisées pour effectuer le test qui a étudié le niveau de transmission des films enduits. De plus, les valeurs de transmission optique chutent lorsque la concentration de cuivre est plus élevée. Ce comportement est provoqué par une augmentation du nombre d'électrons libérés chaque fois qu'il y a une plus grande concentration de cuivre présente dans le système.

L'indice de réfraction du silicium est nsi = 3,939 à 600 nm. Cet indice de réfraction est bien supérieur à celui de l'air, qui a un indice de réfraction constant de n0 = 1,0, et du verre (n0 = 1,52 à 600 nm). La réflectance de la lumière normalement incidente à une telle interface est donnée par :

ce qui signifie que lors du premier rebond, environ 35,4 % ou 19,6 % de la lumière est réfléchie par une interface air : silicium ou verre : silicium, respectivement. Si un revêtement AR d'épaisseur optimale est inséré entre le silicium et le milieu ambiant, la réflectance minimale est donnée par :

où nAR est l'indice de réfraction du revêtement. Pour obtenir une réflectance nulle à une longueur d'onde, la valeur de nAR doit être.

et l'épaisseur du film (dAR) doit répondre à l'exigence d'épaisseur optique quart d'onde qui peut être formulée comme suit :

La formule est liée à la conception de revêtements antireflet pour les surfaces optiques. Voici les bases pertinentes : dAR représente l'épaisseur du revêtement antireflet en nanomètres (nm), λ0 représente la longueur d'onde de la lumière incidente dans le vide, typiquement en unités de nanomètres (nm), nAR représente l'indice de réfraction du revêtement antireflet à la longueur d'onde λ0.

La formule est dérivée du principe des interférences optiques. Lorsque la lumière est incidente sur un film mince d'épaisseur d et d'indice de réfraction n, une partie de la lumière est réfléchie à l'interface air-film et une partie est transmise à travers le film. Les ondes lumineuses réfléchies et transmises interfèrent les unes avec les autres, et le motif d'interférence résultant détermine la quantité de lumière réfléchie. Pour un revêtement antireflet, l'objectif est de minimiser la quantité de lumière réfléchie à une longueur d'onde spécifique λ0. Ceci peut être réalisé en choisissant une épaisseur dAR et un indice de réfraction nAR tels que les ondes lumineuses réfléchies interfèrent de manière destructive, s'annulant mutuellement. La formule dAR = λ0/(4nAR) donne l'épaisseur optimale du revêtement antireflet pour réaliser cette figure d'interférence à la longueur d'onde λ0.

Il existe de nombreux paramètres pour choisir le matériau antireflet, comme résister à la corrosion, résister aux températures élevées et à de nombreux autres paramètres. Cu renforcé avec TiO2 peut être utilisé comme matériau optimal pour SLAR. Le contrôle du rapport de TiO2 dans le cuivre permet d'obtenir l'épaisseur de film et la réflectivité requises. En raison des éqs. (5) et (6), le revêtement AR doit avoir 1,98 et 75,6 nm pour l'indice de réfraction et l'épaisseur, respectivement. Ces valeurs peuvent être atteintes en utilisant un composite Cu–TiO2. La figure 8 montre le Cu – TiO2 comme revêtement AR pour une cellule solaire en silicium. Il peut être atteint sous la condition d'un indice de réflexion fixe dans la région visible32.

Représentation du Cu – TiO2 en tant que revêtement AR pour une cellule solaire au silicium.

Une cellule solaire est un appareil électrique qui convertit l'énergie lumineuse directement par effet photovoltaïque. C'est un type de cellule photoélectrique. Ainsi, il a des caractéristiques électriques, comme le courant, la résistance électrique ou la tension qui varient lorsqu'elles sont exposées à la lumière. La cellule solaire considère les blocs de construction électriques des modules photovoltaïques, appelés panneaux solaires. Les électrons sont excités depuis leur orbite. Il peut dissiper l'énergie sous forme de chaleur et retourner sur son orbite. Le courant traverse le matériau pour annuler le potentiel et cette électricité est captée. Ainsi, l'étude de la conductivité électrique et thermique est une bonne indication de la qualité de la cellule solaire. La figure 9 montre l'effet des ajouts de TiO2 sur la conductivité électrique des poudres nanocomposites Cu-TiO2. Il diminue progressivement en augmentant le TiO2%. Cela peut être attribué à la conductivité électrique inférieure de TiO2 à celle de Cu. Comme la résistivité électrique du TiO2 est de 420 nΩ.m, celle du Cu est de 16,78 nΩ.m. Ainsi, TiO2 résiste mieux au suivi des porteurs de charge électroniques que Cu. Par conséquent, la conductivité électrique diminue33.

Représentation de la conductivité électrique de Cu–TiO2 à différents pourcentages de 10, 20, 30 et 40 % en poids de la teneur en TiO2.

La figure 10 montre la relation entre le TiO2% et la conductivité thermique de la matrice Cu. Il est diminué progressivement en augmentant le TiO2%. Cela peut s'expliquer par la valeur de conductivité thermique inférieure de TiO2 à celle de Cu, qui est de 21,9 W/mK pour TiO2 et 401 W/mK pour Cu. Ainsi, selon la règle du mélange, la conductivité thermique globale du Cu-TiO2, des nanocomposites est diminuée par l'ajout de particules de TiO2 à conductivité plus faible. Dans lequel TiO2 limite le transfert de chaleur dans la matrice Cu.

Représentation de la conductivité thermique de Cu–TiO2 à différents pourcentages de 10, 20, 30 et 40 % en poids de la teneur en TiO2.

Il convient de noter que, bien que les ajouts de TiO2 à la matrice de cuivre diminuent à la fois les conductivités électriques et thermiques, cela reste dans la zone de travail des applications Cu. Comme le renforcement du Cu avec du TiO2 ne convertit pas le cuivre en matériau non conducteur, il ne fait que diminuer sa conductivité.

Dans cet article, des poudres nanocomposites Cu-TiO2 ont été préparées avec succès par la méthode de broyage mécanique. Dans cette méthode de préparation, les poudres composites lestées ont été mélangées dans un flacon en acier inoxydable et protégées de l'oxydation à l'aide d'argon pur, par un rapport bille d'acier sur poudre (BPR) de 20: 1, un diamètre de bille de 5 mm et un vitesse de rotation de 250 tr/min. Diverses teneurs en particules de nano-TiO2 ont renforcé avec succès le composite à matrice de Cu et sont uniformément réparties à l'intérieur de la matrice grâce au processus de fabrication de la technique de la métallurgie des poudres. Cu-TiO2 a été caractérisé en utilisant la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la diffraction des rayons X (XRD), le microscope électronique à balayage (SEM) pour déterminer leur structure cristalline et la spectrométrie d'absorption UV-visible (UV-Vis) pour estimer la propriétés optiques. Le diagramme de diffraction des rayons X a montré des pics correspondant à Cu et TiO2. Il n'y avait aucun enregistrement d'autres composés intermétalliques interférents dans le diagramme XRD. D'autre part, les images SEM ont montré une dispersion correcte et homogène de TiO2 dans la matrice composite fabriquée. Cet article a également étudié l'influence de diverses concentrations de dopants TiO2 préparés sur la réflectance UV-vis-IR. On peut observer que l'augmentation de la concentration de TiO2 augmente le pourcentage de réflexion, ce qui est bon dans différentes applications liées à la fabrication de cellules solaires.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié.

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Laboratoire central de nanotechnologie, Institut de recherche en électronique (ERI), Le Caire, Égypte

Ashraf K.Où

Département de la technologie des poudres, Institut central de recherche et de développement métallurgique (CMRDI), Le Caire, Égypte

Omayma A. Elkady

Département de chimie physique, laboratoire d'électrochimie et de corrosion, Centre national de recherche, rue El-Bohouth 33, Dokki, PO 12622, Gizeh, Égypte

AM El Shamy

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AKE, OAE et AME-S. analysé les données et rédigé le manuscrit ; L'OAE agit en tant que consultant pour l'information scientifique ; AKE a conçu et soutenu l'expérience, et AME-S. aidé à effectuer l'analyse avec des discussions constructives.

Correspondance à AM El-Shamy.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Eessaa, AK, Elkady, OA et El-Shamy, AM La métallurgie des poudres comme technique parfaite pour la préparation du composite Cu – TiO2 en identifiant leur microstructure et leurs propriétés optiques. Sci Rep 13, 7034 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-33999-y

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Reçu : 02 décembre 2022

Accepté : 22 avril 2023

Publié: 29 avril 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-33999-y

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