Bleifreie PTC-Halbleiterkeramik: Werkstoffgrundlagen und keramische Technologie
Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des Vorhabens war die Entwicklung neuartiger, bleifreier Funktionswerkstoffe mit positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands (PTC-Thermistoren). Dazu war 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. Im Vorhaben wurden PTC-Keramiken im Systems (1-x)Bi0.5Na0.5TiO3--xBaTiO3 (BNBT) untersucht, welche im Vergleich zu BaTiO3 höhere Sprungtemperaturen aufweisen. Hauptproblem ist die Erzeugung einer PTC-Kennlinie durch Dotierungszugaben und Design der Mikrostruktur. Im Vorhaben sollten Syntheserouten für homogen dotierte BNBT Keramiken gefunden werden. Optimale Konzentrationen der Donor- und Akzeptordotierungen sollten gefunden sowie deren Wirkungsweise erforscht werden. Dazu wurden drei verschiedene Ansätze gewählt. (i) Es wurde durch klassische Donor/Akzeptordotierung und Sinterung an Luft für verschiedene NBBT-Zusammensetzungen Halbleiterverhalten und PTC-Effekt generiert. Hier gelang es jedoch nur für BNT-arme Zusammensetzungen mit niedriger Curietemperatur (BNBT97) reproduzierbar homogene Proben herzustellen. (ii) Undotierte BNBT-Proben wurden bei niedrigen pO2 gesintert und anschließend reoxidiert. Es wurde gezeigt, dass PTC-Thermistoren mit Sprungtemperatur von TC=180°C erhalten werden können. (iii) Zugabe von CaO und Sinterung an Luft führt zu halbleitenden Keramiken mit PTC-Effekt. Zusätzlich wurde ein starker Einfluss der Konzentration von SiO2 auf die Gefügeausbildung und PTC-Eigenschaften festgestellt. Zusätzliche Akzeptordotierung mit Mn führt zu neuen PTC-Werkstoffen mit guten Eigenschaften. So wurde für BNBT90 mit 3,5%CaO und 0.04Mn ein Material mit PTC-Sprung über mehrere Größenordnungen und Sprungtemperatur bei 150°C entwickelt. Für BNBT85 wurde eine Sprungtemperatur von 170°C erzielt. Insbesondere Variante (iii) stellt daher eine effektive und praktikable Route dar, um bleifreie PTC-Thermistoren mit hoher Sprungtemperatur zu synthetisieren. Diese Ergebnisse würden etwaige Hersteller in die Lage versetzen, bei Verschärfung der Gesetzgebung zum Einsatz von Pb auf Basis dieser Ergebnisse kurzfristig eine Anwendungsoptimierung der Werkstoffe in Gang zu setzen. Somit wurden im Vorhaben ingenieurtechnische Fragen der Herstellung einer neuen Generation von PTC-Keramiken sowie deren Eigenschaftsoptimierung untersucht. Die Gefüge-Eigenschaftsbeziehungen dieser PTC-Thermistoren sind erfasst. Grundlagennahe Probleme des Ladungstransports, der Defektchemie und Gefüge-Eigenschaftskorrelationen von bleifreien PTC-Keramiken sind bisher aufgrund der bewilligten, kurzen Bearbeitungszeit nicht beantwortet worden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Effect of SiO2 sintering additive on the positive temperature coefficient of resistivity (PTCR) behavior of (Bi1/2Na1/2)0.10Ba0.90TiO3 + CaO ceramics” Mater. Res. Bull. 89 (2017) 217-223
D. Mächler, J. Töpfer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2017.02.005)
