5 Werkstofftechnik
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Lowering the sintering temperature of calcium manganate CaMnO3 for thermoelectric applications
(2018)
Thermoelectric materials can convert waste heat directly into electrical power by utilizing the Seebeck effect. Calcium cobaltite (p-type) and calcium manganate (n-type) are two of the most promising oxide thermoelectric materials. The development of cost-effective multilayer thermoelectric generators requires the co-firing of these materials and therefore the adjustment of sintering temperatures. Calcium manganate is conventionally sintered between 1200 °C and 1350 °C. Calcium cobaltite exhibits an undesired phase transition at 926 °C but can be sintered to high relative density of 95 % at 900 °C under axial pressure of 7.5 MPa. Hence, co-firing at 900 °C would be favourable. Therefore, strategies for lowering the sintering temperature of calcium manganate have been investigated. Basically, two approaches are common: i) addition of low melting additives like Bi2O3-ZnO-B2O3-SiO2 (BBSZ) glass or Bi2O3, and ii) addition of additives that form low-melting eutectics with the base material, for example CuO. In this study, several low melting additives including BBSZ glass and Bi2O3, as well as CuO were tested regarding their effect on calcium manganate densification. Bi2O3 did not improve the densification, whereas BBSZ glass led to 10 % higher relative density at 1200 °C. An addition of 4 wt% CuO decreases the temperature of maximum sinter rate from above 1200 °C to 1040 °C. By reducing the particle size of the raw materials from 2 μm to 0.7 μm the maximum sinter rate could be further shifted 20 K towards lower temperatures and the sinter begin decreased from 920 °C to 740 °C. It is shown that eutectic phase formation is more effective in lowering sintering temperature and accelerating densification than low-melting additives.
Thermoelektrische Materialien können durch die Nutzung des Seebeckeffektes einen Temperaturunterschied direkt in eine Spannung umwandeln. Calciumcobaltit (p-typ) und Calciummanagant (n-typ) sind 2 der vielversprechendsten oxidischen thermoelektrischen Materialien. Für die Entwicklung von kostengünstigen Multilayergeneratoren ist das Co-sintern dieser beiden Materialien notwendig und deshalb eine Anpassung der Sintertemperatur nötig. Calciummangant wird herkömmlicherweise zwischen 1200°C und 1350°C gesintert. Calciumcobaltit erfährt einen ungewünschte Phasenumwandlung bei 926°C, es kann allerding bei 900°C unter 7.5MPa zu 95% dicht gesintert werden. Demzufolge, ist eine Co-sintertemperatur von 900°C anzustreben. Aus diesem Grund wurden mehrere Strategien zur Absenkung der Sintertemperatur von Calciummanaganat untersucht. Zum einen die Zugabe niedrigschmelzender Additive, zum anderen die Zugabe von Additiven, die eine eutektische Schmelze bilden. Es konnte gezeigt werden, dass für Calciummanganat die Verwendung von eutektischen Schmelzen besser geeignet ist als die Verwendung von niedrigschmelzenden Additiven um die Sintertemperatur zu senken.“
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.
Thermoelectric materials can convert waste heat directly into electrical power by using the Seebeck effect. Calcium cobaltite Ca3Co4O9 is a promising p-type oxide thermoelectric material for applications between 600 °C and 900 °C in air. The properties and morphology of Ca3Co4O9 are strongly anisotropic because of its crystal structure of alternating layers of CoO2 and Ca2CoO3. By aligning the plate-like grains, the anisotropic properties can be assigned to the component. Pressure-assisted sintering (PAS), as known from large-scale production of low temperature co-fired ceramics, was used to sinter multilayers of Ca3Co4O9 green tape at 900 °C with different pressures and dwell times. In-situ shrinkage measurements, microstructural investigations and electric measurements were performed. Pressure-less sintered multilayers have a 2.5 times higher electrical conductivity at room temperature than dry pressed test bars with randomly oriented particles. The combination of tape casting and PAS induces a pronounced alignment of the anisotropic grains. Relative density increases from 57 % after free sintering for 24 h to 94 % after 2 h of PAS with 10 MPa axial load. By applying a uniaxial pressure of 10 MPa during sintering, the electrical conductivity (at 25°C) improves by a factor of 15 compared to test bars with randomly oriented particles. The high temperature thermoelectric properties show the same dependencies. The smaller the applied axial load, the lower the relative densities, and the lower the electrical conductivity. Longer dwell times may increase the density and the electrical conductivity significantly if the microstructure is less densified as in the case of a small axial load like 2 MPa. At higher applied pressures the dwell time has no significant influence on the thermoelectric properties. This study shows that PAS is a proper technique to produce dense Ca3Co4O9 panels with good thermoelectric properties similar to hot-pressed tablets, even in large-scale production.