Entwicklung thermoelektrisch aktiver und thermisch gespritzter Keramikwerkstoffe

• Antragsteller: Dr. Manfred Fries; Professor Dr.-Ing. Christoph Leyens
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 289844451

Die Herstellung preisgünstiger thermoelektrischer Generatoren (TEG) erfordert effektive Fertigungstechnologien. Das Thermische Spritzen besitzt hierfür das Potential, jedoch müssen wesentliche werkstoffliche und technologische Herausforderungen bewältigt werden. TEGs können durch das Thermische Spritzen als Mehrlagenschichtsystem, bestehend aus elektrisch isolierenden und elektrisch leitenden Werkstoffen, sowie den thermoelektrisch aktiven p- und n-Halbleitern, realisiert werden. Die Eigenschaften der gespritzten Werkstoffe hängen dabei sowohl von dem Spritzprozess als auch von dem Ausgangswerkstoff ab. Während elektrisch isolierende bzw. leitende Materialien in diesen Bereich gut erforscht sind, bleiben die thermoelektrisch aktiven spritzbaren Werkstoffe bis jetzt nur sehr selten erforscht. Demzufolge ist insbesondere für die Herstellung der thermisch gespritzten TEG die Erforschung effektiver TE-Werkstoffe eine dringende Notwendigkeit. Dabei müssen neben den üblichen Anforderungen an die elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie den Seebeck-Koeffizienten, auch Anforderungen an die Spritzbarkeit, niedrige Toxizität und die Verfügbarkeit in großen Mengen zu akzeptablen Preisen erfüllt werden. In dieser Hinsicht besitzen oxidische Werkstoffe das höchste Potential. Es sind jedoch erhebliche Anstrengungen notwendig, um das spezifische Werkstoffverhalten dieser Materialien im Spritzprozess zu verstehen und deren ZT-Werte zu erhöhen. Daher soll der Schwerpunkt dieses Projekts in der Entwicklung von ökologisch verträglichen und ökonomisch sinnvollen thermoelektrischen Werkstoffen liegen, die einen breiten Einsatzbereich besitzen und sich durch das thermische Spritzen verarbeiten lassen. Dotiertes Zinkoxid ist aufgrund seiner nachgewiesenen Spritzbarkeit und aussichtsreichen thermoelektrischen Eigenschaften einer der vielversprechenden oxidischen Werkstoffe. Das Hauptziel des Projektes ist die Herstellung von mechanisch stabilen ca. 500 µm dicken thermoelektrisch wirksamen Schichten mit einem ZT von mindestens 0,3 für den Einsatz bei Temperaturen mehr als 600°C. Dafür wird ein maßgeschneiderter Spritzzusatz in Form von Pulvern und Suspensionen entwickelt und hergestellt, und die Wirkzusammenhänge von Prozessparametern der unterschiedlichen Thermischen Spritzenverfahren und den Eigenschaften (thermoelektrisch, strukturell, physikalisch) der angefertigten Zinkoxid- Schichten erforscht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen