Bleifreie PTC-Halbleiterkeramik: Werkstoffgrundlagen und keramische Technologie

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Töpfer
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 264514172

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung neuartiger, bleifreier Funktionswerkstoffe mit positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands (PTC-Thermistoren). Dazu ist es notwendig, die Syntheserouten dieser Materialien zu entwickeln sowie die werkstofflichen Grundlagen des Ladungstransports, der Dotierungsmechanismen, der Defektchemie und der Mikrostruktur dieser neuartigen, bleifreien PTC-Keramiken zu erforschen. PTC-Keramiken werden u.a. zur Herstellung hocheffizienter Heizerbaugruppen für den Einsatz im Automobilbereich benötigt. PTC-Keramiken (Kaltleiter) basieren auf dem PTC-Effekt. Bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur steigt der Widerstand der Keramik um Größenordnungen an. Bei Anlegen der jeweiligen Betriebsspannung erwärmt sich der Kaltleiter bis in die Nähe seiner Bezugstemperatur. Hier wird seine Selbstregelfunktion wirksam: bei hohem Wärmebedarf in der Umgebung stellt sich ein niederohmiger Arbeitspunkt hoher Leistungsaufnahme ein. Sinkt die Wärmeableitung, verschiebt sich der Arbeitspunkt automatisch entlang der PTC-Kennlinie in den hochohmigen Bereich und verminderter Leistungsaufnahme. Keramische PTC-Thermistoren bestehen nach Stand der Technik aus dotierter Halbleiterkeramik auf Basis von Pb-substituiertem Bariumtitanat BaTiO3 mit Curietemperaturen im Bereich von 120-200°C. Ferroelektrisches Bariumtitanat mit Perowskitstruktur wird durch geeignete Donordotierung in einen bei Raumtemperatur halbleitenden Zustand überführt. Im Vorhaben sollen bleifreie PTC-Keramiken im Systems (1-x)Bi0.5Na0.5TiO3--xBaTiO3 (BNBT) untersucht werden, die im Vergleich zu reinem BaTiO3 höhere Sprungtemperaturen aufweisen. Hauptproblem ist die Erzeugung einer PTC-Kennlinie durch Dotierungszugaben und Design der Mikrostruktur. Im Vorhaben sollen Syntheserouten für homogen dotierte BNBT Keramiken gefunden werden. Optimale Konzentrationen der Donor- und Akzeptordotierungen sollen gefunden sowie deren Wirkungsweise erforscht werden. Die Gefüge-Eigenschaftsbeziehungen von bleifreien PTC-Thermistoren sind zu untersuchen. Die Defektchemie und Stöchiometrieabweichungen dieser Materialien soll erfasst und die Auswirkung von Dotierungs- und Punktfehlerkonzentrationen auf die elektrischen Eigenschaften von Körnern bzw. Korngrenzen untersucht werden.Damit sollen im beantragten Vorhaben sowohl ingenieurtechnische Fragen der Herstellung einer neuen Generation von PTC-Keramiken sowie deren Eigenschaftsoptimierung untersucht, als auch grundlagennahe Probleme des Ladungstransports, der Defektchemie und Gefüge-Eigenschaftskorrelationen von bleifreien PTC-Keramiken beantwortet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen