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Entwicklung oxidkeramischer Werkstoffe und Folien für thermoelektrische Multilayergeneratoren
(2016)
Calcium cobaltite is a promising oxide thermoelectric materials for applications between 600 °C and 900 °C in air to convert waste heat directly into electrical power. The solid-state reaction, well known for large scale powder synthesis of functional materials, is used for the production of thermoelectric oxides. As a high temperature process, the powder synthesis consumes a lot of energy. In different studies, different synthesis conditions were used for the preparation of calcium cobaltite. To the author’s knowledge, a systematic study of the synthesis conditions of calcium cobaltite and calcium manganate has not yet been published.
Therefore, the synthesis conditions for calcium cobaltite (temperature, dwell time, and particle size of raw materials) were studied with a statistical design of experiments (2³) and investigated regarding phase composition (XRD), densification, and thermoelectric properties.
This study showed that a higher energy input (elevated temperatures, longer dwell times, or repeated calcinations) during powder synthesis does not improve but deteriorate the thermoelectric properties of calcium cobaltite. The same correlation was determined for the shrinkage. As a higher energy input during powder synthesis leads to a larger grain size and therefore to a reduced sinter activity the shrinkage at a given sinter profile is minimize as well as the thermoelectric properties. These results can be used to minimize the energy demand for the powder synthesis of oxide thermoelectric materials.
In addition an increase of power factor by factor 10 can be achieved by applying pressure assisted sintering.
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.
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.“