5 Werkstofftechnik
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The need for new solutions for electrical insulation is growing due to the increased electrification in numerous industrial sectors, opening the door for innovation. Plasma spraying is a fast and efficient way to deposit various ceramics as electrical insulators, which are used in conditions where polymers are not suitable. Alumina (Al2O3) is among the most employed ceramics in the coating industry since it exhibits good dielectric properties, high hardness, and high melting point, while still being cost-effective. Various parameters (e.g., feedstock type, spray distance, plasma power) significantly influence the resulting coating in terms of microstructure, porosity, and metastable phase formation. Consequently, these parameters need to be investigated to estimate the impact on the dielectric properties of plasma-sprayed alumina coatings. In this work, alumina coatings with different spray distances have been prepared via atmospheric plasma spray (APS) on copper substrates. The microstructure, porosity, and corresponding phase formation have been analyzed with optical microscopy, X-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy (SEM). Moreover, we present an in-depth analysis of the fundamental dielectric properties e.g., direct current (DC) resistance, breakdown strength, dielectric loss tangent, and permittivity. Our results show that decreasing spray distance reduces the resistivity from 6.31 × 109 Ωm (130 mm) to 6.33 × 108 Ωm (70 mm), while at the same time enhances the formation of the metastable δ-Al2O3 phase. Furthermore, space charge polarization is determined as the main polarization mechanism at low frequencies.
Rapid solidification leads to unique microstructural features, where a less studied topic is the formation of various crystalline defects, including high dislocation densities, as well as gradients and splitting of the crystalline orientation. As these defects critically affect the material’s mechanical properties and performance features, it is important to understand the defect formation mechanisms, and how they depend on the solidification conditions and alloying. To illuminate the formation mechanisms of the rapid solidification induced crystalline defects, we conduct a multiscale modelling analysis consisting of bond-order potential-based molecular dynamics (MD), phase field crystal-based amplitude expansion simulations, and sequentially coupled phase field–crystal plasticity simulations. The resulting dislocation densities are quantified and compared to past experiments. The atomistic approaches (MD, PFC) can be used to calibrate continuum level crystal plasticity models, and the framework adds mechanistic insights arising from the multiscale analysis.
This article is part of the theme issue ‘Transport phenomena in complex systems (part 2)’.
The formation of pores in CMSX-4 nickel based superalloys is detrimental to the service life of the material. A way to avoid the problem is to treat the superalloys under Hot Isostatic Pressing (HIP), which enables a large volume fraction of pores to be annihilated. This paper aims to understand the contribution of plastic activity related to the gliding of dislocations on the pore annihilation. Simulations based on a phase-field model of dislocation are performed and make it possible to consider the strong anisotropy of the CMSX-4 under HIP conditions in conjunction to the strong elastic heterogeneity introduced by the pore. For pores with a radius of few micrometers, it is shown that edge parts of dislocation lines that present an extra half atomic plane oriented towards the pore are stacked above and under it in the direction which is perpendicular to their slip-planes, causing an increase of the number of dislocation along the four octahedral directions of the FCC single crystal which intersect the pore center. Results are streamlined within the isotropic elastic theory of dislocations. Effects of elastic anisotropy and dislocation reactions are also investigated in order to specify what would be the dislocation configuration around a pore in CMSX-4 under HIP conditions. Notably, the elastic anisotropy is shown to significantly modify the arrangement of dislocations close to the pore equator. Simulations also allow for the characterization of pore/dislocation interactions when dislocations are involved in Low Angle Boundaries as experimentally observed.
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.
The typical experimental conditions inside a transmission electron microscope (TEM), such as ultra-high vacuum, high-energy electron irradiation, and surface effects of ultrathin TEM specimens, can be the origin of unexpected microstructural changes compared with that of bulk material during in situ thermal-annealing experiments. In this paper, we report on the microstructural changes of a Fe–15%Si alloy during in situ TEM annealing, where, in its bulk form, it exhibits an ordering transformation from D03 to B2 at 650 °C. Using a heating-pot type double tilt holder with a proportional–integral–differential control system, we observed the precipitation of α-Fe both at the sample surface and inside the sample. Surface precipitates formed via surface diffusion are markedly large, several tens of nm, whereas precipitates inside the specimen, which are surrounded by Fe-poor regions, reach a maximum size of 20 nm. This unexpected microstructural evolution could be attributed to vacancies on Si sites, which are induced due to high-energy electron irradiation before heating, as well as enhanced thermal diffusion of Fe atoms.
3D-printed landing pads on the moon: Paving the road for large area sintering of lunar regolith.
A prerequisite for lunar exploration and beyond is the manufacturing of objects directly on the moon, given the extreme costs involved in the shipping of material from Earth. Looking at processes, raw materials, and energy sources, equipment will certainly have to be brought from Earth at the beginning. Available on the moon are lunar regolith as raw material and the sun as an energy source. One of the first steps towards the establishment of a lunar base is the creation of infrastructure elements, such as roads and landing pads.
We’ll introduce you to the ESA-project PAVER that demonstrates the sintering and melting of lunar regolith simulant material to produce large scale 3D printed elements that could be used during human and robotic lunar explorations.