5 Werkstofftechnik
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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.
A novel method to generalize kinetic data of viscous crack healing in glasses is proposed. The method assumes that crack healing progress is proportional to the healing time, t, and indirect proportional to viscosity, n. This way, crack length and crack width data, normalized to the initial crack length and plotted versus t/n, allow to compare crack healing progress for different cracks and healing temperatures in a master curve. Crack healing experiments conducted in this study demonstrate the applicability of this method for a commercial microscope slide glass.
Sintered bioactive glass scaffolds of defined shape and porosity, e.g. made via additive manufacturing, must provide sufficient bioactivity and sinterability. As higher bioactivity is often linked to high corrosion and crystallization tendency, a certain compromise between sintering ability and bioactivity is therefore required. Groh et al. developed a fluoride-containing bioactive glass (F3), which allows fiber drawing and shows a bioactivity well comparable to that of Bioglass®45S5.
To study whether and to what extent the sinterability of F3 glass powder is controlled by particle size, coarse and fine F3 glass powders (300-310µm and 0-32µm) were prepared by crushing, sieving and milling. Sintering, degassing and phase transformation during heating were studied with heating microscopy, vacuum hot extraction (VHE), DTA, XRD, and SEM.
For the coarse glass powder, sintering proceeds slowly and is limited by surface crystallization of primary Na2CaSi2O6 crystals. Although the crystallization onset of Na2CaSi2O6 is shifted to lower temperature, full densification is attained for the fine powder. This finding indicate that certain porosity might be tuned via particle size variation. Above 900°C, intensive foaming is evident for the fine powder. VHE studies revealed that carbon species are the main foaming source.
Im Rahmen der DGM/DVM AG Fraktographie wird an der BAM eine fraktographische online-Datenbank aufgebaut. Während von metallischen Werkstoffen viele Beispiele vorliegen, die auch gut verstanden sind, sind die Brüche von Kunststoffen bislang weniger prominent vertreten. Eine teils ungeklärte Frage ist, in welcher Form sich an Kunststoffen klassische Schwingbrüche nachweisen lassen, wie sie von metallischen Werkstoffen bekannt sind. Der Vortrag zeigt einige Beispiele im Detail und stellt diese zur Diskussion.
Im Rahmen der Erstellung einer fraktographischen online-Datenbank an der BAM wurden systematisch Schwingversuche an einem Sinterstahl vorgenommen, dessen Sinterdichte variiert wurde. Die erzeugten Bruchflächen wurden analysiert, mit der Literatur verglichen und Datensätze in die Datenbank eingefügt.