TY - CONF A1 - Bresch, Sophie T1 - Oxidkeramische Werkstoffe und Folien für thermoelektrische Multilayergeneratoren N2 - Thermoelektrische Effekte beschreiben die direkte Verknüpfung von thermischer Energie und elektrischer Energie in Festkörpern. Durch Thermodiffusionsströme entsteht direkt, ohne beweg¬liche Teile, ein elektrisches Feld als Folge einer Temperaturdifferenz. Diese Material-eigenschaft wird durch den Seebeckkoeffizienten beschrieben. Je nach Art der Ladungs¬träger sind die indu¬zierte Spannung und der Seebeckkoeffizient positiv (p-Typ) oder negativ (n-Typ). Thermo¬elek¬trische Effekte lassen sich beispielsweise in Thermo¬elementen zur Temperatur-messung, in Pel¬tierelementen zum Kühlen oder Heizen und in thermo¬elektrischen Generatoren zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie nutzen. In thermoelektrischen Generatoren werden Schenkel aus p-Typ- und n-Typ-Materialien elek-trisch in Reihe und thermisch parallel verschaltet. Konventionell werden einzelne Schenkel aus Bismut¬tellurid auf ein metallisiertes Substrat gelötet. Man spricht vom π-Typ-Design. Aufgrund auf¬wendiger Fertigung und nicht optimaler Flächennutzung stellt dieses Design nicht die best-mög¬liche Lösung dar. Neben Telluriden gibt es noch andere vielversprechende thermoelektrische Material¬systeme wie die oxidischen Thermoelektrika. Im Temperatur¬bereich oberhalb von 700 °C können oxidische thermoelektrische Materialien mit nichtoxidischen konkurrieren. Zudem sind sie oxidationsbeständig und können aus weniger toxischen und besser verfügbaren Rohstoffen her¬ge¬stellt werden. Da es sich um keramische Materialien handelt, können unter Nutzung der Multi¬layer¬technologie (auch Vielschicht- oder Mehrlagentechnik) Generatoren im Multilayer¬design hergestellt werden. Keramische Multi¬layer¬generatoren sind aufgrund der höheren Leis¬tungs¬dichte, der Möglichkeit der gezielten Texturierung und des hohen möglichen Auto¬mati¬sierungs¬grades des Herstellungs¬prozesses eine viel¬versprechende Alternative zu konven¬tionellen π-Typ-Generatoren. Alle Lagen werden in einem Schritt co-gesintert. Die beiden zum jetzigen Zeit¬punkt wohl viel¬versprechendsten oxi¬dischen Thermoelektrika sind Calcium-cobaltit Ca3Co4O9 als p-Typ und Calciummanganat CaMnO3 als n-Typ. Die Sinter¬tem¬peratur von Ca3Co4O9 ist durch eine Phasenumwandlung bei 926 °C beschränkt. Texturiertes, dichtes Ca3Co4O9 mit einer hohen Festigkeit kann nur über Hei߬pressen hergestellt werden. Das Co-Sintern von Ca3Co4O9 und CaMnO3 war wegen der Tem¬pera¬tur¬differenz von 350 K zwischen den jeweiligen Sinterintervallen bisher nicht möglich. Ziel dieser Arbeit war deshalb die Ent¬wick¬lung von kompatiblen oxidkeramischen Werkstoffen und Folien für thermoelektrische Multilayer-generatoren auf der Basis von Ca3Co4O9 und CaMnO3. Daraus resultieren vier wesentliche Arbeitspakete. Zunächst die Materialentwicklungen von Ca3Co4O9 (p-Typ) und CaMnO3 (n-Typ) für ein Co-Sintern bei 900 °C mit akzeptablen thermoelek¬trischen Eigenschaften, dann die Entwicklung der weiteren im Generator benötigten Kompo¬nenten wie der Isolationsschicht und abschließend die Fertigung und Bewertung von Demonstra¬toren im Multi¬layer¬design. Foliengießen und druckunterstütztes Sintern ermöglichen die Herstellung von dichtem, tex-turier¬tem Ca3Co4O9 mit hoher Festigkeit und hohem Leistungsfaktor. Letzterer ist das Produkt der elek¬trischen Leitfähigkeit und dem Quadrat des Seebeckkoeffizienten. Für die elektrische Leit¬fähigkeit zeigte sich in dieser Arbeit ein kombinierter Einfluss von Sinterdichte und Textur. Die thermo¬elektrischen Eigen¬schaften lassen sich somit über die Einstellung der Mikrostruktur gezielt steuern. Durch die Optimierung der Pulversynthese, die Einführung des Sinteradditives CuO und die Kombi¬nation mit dem druckunterstützten Sintern (7,5 MPa) konnte die Sintertemperatur des CaMnO3 bei gleichbleibendem Leistungsfaktor von 1250 °C auf 950 °C gesenkt werden. Druck-unter¬stütztes Sintern von CaMnO3 ist bei 900 °C möglich, führt aber zu einem Werkstoff mit geringerem Leistungsfaktor, geringerer Dichte und ungenügender Festigkeit. Zur elektrischen Isolation der beiden thermoelektrischen Materialien wurde ein Glas-Keramik-Kompo¬sit mit hohem Volumenwiderstand und angepasstem Wärmeausdehnungs¬koef¬fizienten ent¬wickelt. Aus den zu Folien vergossenen thermoelektrischen Materialien, der siebgedruckten Iso¬lations-schicht und der siebgedruckten Metallisierung wurden mittels Multilayertech¬nologie De¬mons-tratoren hergestellt. Neben dem pn-Generator aus Ca3Co4O9 und CaMnO3 wurden auch Unileg-generatoren aus Ca3Co4O9 gefertigt. Bei Unileggeneratoren wird die Komplexität des Aufbaus durch die Verwendung von nur einem thermoelektrischen Material verringert. Die Simulation der Demonstratoren zeigte, dass der pn-Generator aus Ca3Co4O9 und CaMnO3 keine höheren Leis-tungsdichten erbringt als der aus nur Ca3Co4O9 bestehende Unileg¬generator. Auf¬grund des ge-ringen Leistungsfaktors und der geringen Festigkeit des bei 900 °C gesinterten CaMnO3 er¬scheint die Fertigung von pn-Multilayer¬generatoren aus Ca3Co4O9 und CaMnO3 derzeit nicht sinn¬voll. Die Unileg¬generatoren aus Ca3Co4O9 erreichen mit sehr hoher Reproduzier¬barkeit 2 mW/cm² bei einer Temperaturdifferenz von 230 K, dies entspricht 80 % der simulierten elektrischen Leistung. Es handelt sich hierbei um den ersten Machbarkeits¬nachweis zur Herstellung von Multilayer-generatoren auf Basis von texturiertem Ca3Co4O9 mit hohem thermoelektrischem Leistungsfaktor, hoher Dichte und hoher Festigkeit. Solch thermoelektrische Multilayergeneratoren könnten zukünftig Systeme mit geringen elek-trischen Leistungsanforderungen wie Sensoren autark und nachhaltig mit elektrischer Energie ver¬sorgen. T2 - Promotionskolloquium CY - Bayreuth, Germany DA - 25.04.2022 KW - Calciumcobaltit KW - Calciummanganat KW - Foliengießen KW - Sintertemperatur PY - 2022 AN - OPUS4-54726 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bresch, Sophie T1 - Einfluss der Pulversynthese auf die Eigenschaften thermoelektrischer Oxide N2 - Calciumcobaltit und Calciummanganat gehören zu den vielversprechendsten thermoelektrischen Oxiden im Temperaturbereich zwischen 600 °C und 800 °C an Luft. Mittels thermoelektrischer Generatoren kann ein Temperaturgradient direkt in elektrische Leistung umgewandelt werden. Für die kostengünstige Pulverherstellung von Funktionsmaterialien wird im industriellen Maßstab meist die Festphasenreaktion (bzw. Kalzinierung) verwendet. Da es sich dabei um einen Hochtemperaturprozess handelt, ist diese Kalzinierung sehr energieintensiv. In der Literatur werden sehr unterschiedliche Prozessbedingungen zur Pulversynthese thermoelektrischer Oxide genutzt. Soweit dem Autor bekannt, ist keine systematische Untersuchung des Einflusses der Pulversynthesebedingungen auf die thermoelektrischen Eigenschaften publiziert. Deshalb wurde eine systematische Untersuchung des Einflusses der Pulversynthesebedingungen (Temperatur, Haltezeit, Partikelgröße, Wiederholungen) auf die thermoelektrischen Eigenschaften von Calciumcobaltit und Calciummanganat durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass sich ein höherer Energieeintrag während der Kalzinierung negativ auf die thermoelektrischen Eigenschaften auswirkt. T2 - Seminar des Lehrstuhls für Funktionsmaterialien CY - Universität Bayreuth, Bayreuth, Germany DA - 12.01.2018 KW - Kalzinierung KW - Thermoelektrika KW - Calciummanganat KW - Calciumcobaltit PY - 2018 AN - OPUS4-43772 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Bresch, Sophie T1 - Druckunterstützte Sinterung von Calciumcobaltitfolien N2 - Calcium cobaltite Ca3Co4O9 is a promising p-type oxide thermoelectric material for applications between 600 °C and 900 °C in air. The properties and the morphology of Ca3Co4O9 are strongly anisotropic because of its layered crystal structure. By aligning the plate-like grains, the anisotropic properties can be assigned to the component. Hot-pressing of tablets is a well-known technology for grain alignment of Ca3Co4O9 and increases the thermoelectric properties in a/b-direction remarkably [1-3]. However, hot-pressing of tablets is limited by the tablet size. An interesting alternative for larger components is the pressure assisted sintering of panels from tape casted layers. Tape casting already leads to grain orientation during green body forming. By combining tape casting and pressure assisted sintering (50 kN maximum force) of Ca3Co4O9, high densities and high thermoelectric properties can be reached for large components up to 200 mm edge length. The morphology of Ca3Co4O9-grains can be designed by doping as well as by varying the powder synthesis conditions. For example Bi-doping increases the anisotropy of the grains, and reaction sintering of uncalcined powder leads to a fine grained microstructure and increases the electrical conductivity for pressure-less sintered specimens. Doped and undoped Ca3Co4O9 powders were successfully tape cast with the doctor blade technique. Several layers of tape were stacked and laminated to 7 cm x 7 cm panels. These panels were sintered in a LTCC sintering press with combined in-situ shrinkage measurement. Pressure-less sintered panels from undoped powder have a 2.5 times higher electrical conductivity at room temperature than dry-pressed test bars with randomly orientated particles. By applying a uniaxial pressure of 10 MPa during sintering, the electrical conductivity (σ25°C=15000 S/m) increases by the factor of 6 compared to the pressure-less sintered panels, which is in good accordance to the values reported in literature for conventional hot pressing [1, 3]. It is not possible to assign the increased anisotropy of Ca2.7Bi0.3Co4O9 to the pressure-assisted sintered panels, as Bi leads to an abnormal grain growth (up to 500 µm) with randomly oriented grains. This decreases the electrical conductivity (σ25°C=5000 S/m). Such an abnormal grain-growth is reported for Bi over-doped Ca3Co4O9 [4] but not because of hot-pressing. N2 - Calciumcobaltit ist eines der vielversprechendsten thermoelektrischen Oxide, welche zur direkten Wärmerückgewinnung genutzt werden können. Calciumcobaltit weist sowohl eine anisotrope Partikelform als auch anisotrope thermoelektrische Eigenschaften auf. Durch gezielte Ausrichtung der Partikel mittels Foliengießens und druckunterstützter Sinterung kann diese Anisotropie gezielt auf ein Bauteil übertragen werden. Die Partikelmorphologie kann durch Dotierung und Kalzinierung beeinflusst werden. Verschiedene Calciumcobaltitpulver wurden druckgesintert und das Gefüge sowie die thermoelektrischen Eigenschaften untersucht. Die Dotierung mit Bismut führte zu einer Verschlechterung der elektrischen Leitfähigkeit bei druckgesinterten Proben im Gegensatz zu undotierten Pulvern. T2 - Funktionsmaterialien - Lehrstuhlseminar CY - Bayreuth, Germany DA - 02.06.2017 KW - Thermoelectrics KW - Calcium cobaltite KW - Pressure assisted sintering KW - Druckunterstützte Sinterung KW - Calciumcobaltit KW - Thermoelektrika PY - 2017 AN - OPUS4-40467 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -