Nitrid- und elektrisch funktionelle Strukturkeramik

Gruppe

Elektrisch funktionelle Strukturkeramik als Thermoelektrika

Thema

Demonstrator zur Stromerzeugung mit einem TEG (ECEMP - B3: Keramische Mehrkomponentenwerkstoffe für kostengünstige thermoelektrische Systeme).

Eine direkte Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie gelingt durch den Seebeck-Effekt. Der herausragende Vorteil einer solchen thermoelektrischen Umwandlung ist der einfache und robuste Aufbau eines thermoelektrischen Generators, ohne bewegte Teile und mit minimalem Platzbedarf und Betriebskosten. Lediglich die Verfügbarkeit eines permanenten Temperaturgradienten ist Voraussetzung für die Energiewandlung.

Zum Aufbau eines thermoelektrischen Generators werden thermoelektrisch aktive Werkstoffe mit möglichst hohem Seebeck-Koeffizienten, hoher elektrischer Leitfähigkeit und niedriger thermischer Leitfähigkeit benötigt. Keramische Thermoelektrika sind zwar nicht die Spitzenreiter bei der genannten Eigenschaftskombination aber sie bringen zusätzlich hohe thermische und chemische Stabilität, geringe Wärmedehnung, hohe Verfügbarkeit und niedrige Herstellungskosten im Vergleich zu anderen thermoelektrischen Werkstoffen mit.

Die Synthese und Komponentenfertigung keramischer Thermoelektrika, Beschichtungen, Fügeaufgaben und Modulherstellung, sowie die Integration thermoelektrischer Module, deren Charakterisierung sowie der Systemaufbau und die Simulation von Betriebszuständen und Betriebsverhalten sind seit ca. 10 Jahren Forschungsthema am IKTS.

 

Leistungsangebot

 

  • Entwicklungen keramischer Thermoelektrika wie Titansuboxid, Borcarbid, Mischoxide zur bedarfsgerechten Einstellung von elektrischer und thermischer Leitfähigkeit und Seebeck-Koeffizienten (Thermokraft)
  • kosteneffiziente Technologien zur Herstellung keramischer Thermoelektrika und von keramischen thermoelektrischen Komponenten
  • Konzeptentwicklung und -umsetzung für keramische Thermoelektriksysteme 
  • Entwicklung von systemangepassten Oxidationsschutzkonzepten für thermoelektrische Komponenten
  • Entwicklung von werkstoffspezifischen Verbindungskonzepten für keramische Thermoelektrika

 

Technische Ausstattung

 

  • Komplette Werkstoff- und Bauteilherstellungstechnologie für thermoelektrische Werkstoffe und Komponenten im IKTS 
  • Kombinierter van der Paw/Hall/Seebeck-Messstand von Raumtemperatur bis 600 °C
  • Elektrische Leitfähigkeitsmessung bis 1400 °C
  • Wärmeleitfähigkeitsmessung bis 1500 °C
  • Testung von TE-Modulen bis 600 °C unter betriebsnahen thermischen Bedingungen

 

Beispiele / Referenzen

 

  • Modifizierte Borcarbide für thermoelektrische Anwendungen
  • Definierte Titansuboxide mit hohem Seebeck-Koeffizienten und Oxidationsschutzschicht bis 600 °C unter Luft einsetzbar
  • p- und n- dotierte SiC-Werkstoffe mit hoher elektrischer Leitfähigkeit