DE102013215662B3 - Glass-ceramic, thermoelectric component comprising the glass-ceramic and use of the glass-ceramic - Google Patents
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Abstract
Glaskeramik, wobei die Glaskeramik folgende Bestandteile (in Gew.-% auf Oxidbasis) enthält:Bi2O3 20–70, SrO 15–40, CoO 15–50, CaO 0–10, Al2O3 0–15, B2O3 0–10, SiO2 0–20, P2O5 0–20, und wobei die Glaskeramik eine Hauptkristallphase aus dem ternären Phasensystem Bi2O3-SrO-CoO enthält.Glass ceramic, the glass ceramic containing the following components (in% by weight on an oxide basis): Bi2O3 20–70, SrO 15–40, CoO 15–50, CaO 0–10, Al2O3 0–15, B2O3 0–10, SiO2 0 –20, P2O5 0–20, and wherein the glass ceramic contains a main crystal phase from the ternary phase system Bi2O3-SrO-CoO.
Description
Die Erfindung betrifft eine Glaskeramik, die Verwendung der Glaskeramik und ein thermoelektrisches Bauelement, das die Glaskeramik umfasst.The invention relates to a glass ceramic, the use of the glass ceramic and a thermoelectric component comprising the glass ceramic.
Thermoelektrische Materialien werden in jüngster Zeit verstärkt erforscht, da sie als potentielle Materialien angesehen werden, mit denen Abfallwärme, die von zahlreichen Quellen erzeugt wird, wie z. B. von Computern, von elektronischen Geräten, vom menschlichen Körper, von Kraftfahrzeugen usw., in elektrische Energie umgewandelt werden kann, und zwar unter Ausnutzung des Seebeck-Effektes. Ferner können sie umgekehrt zur Kühlung unter Ausnutzung des Peltier-Effektes verwendet werden. Die Leistungsfähigkeit von thermoelektrischen Materialien wird durch den dimensionslosen Gütefaktor (”figure of merit”) ZT charakterisiert: wobei S der Seebeck-Koeffizient ist, σ die elektrische Leitfähigkeit, κ die Wärmeleitfähigkeit des Materials und T die absolute Temperatur in Kelvin.Thermoelectric materials have been increasingly explored recently as they are considered to be potential materials that generate waste heat generated from numerous sources, such as waste heat. As computers, electronic devices, the human body, motor vehicles, etc., can be converted into electrical energy, using the Seebeck effect. Furthermore, they can be used conversely for cooling by utilizing the Peltier effect. The performance of thermoelectric materials is characterized by the dimensionless figure of merit ZT: where S is the Seebeck coefficient, σ the electrical conductivity, κ the thermal conductivity of the material and T the absolute temperature in Kelvin.
Die besten thermoelektrischen Materialien sollten die thermischen Eigenschaften von Glas und die elektrischen Eigenschaften eines perfekten Einkristalls besitzen. Halbleitende Materialien bieten den besten trade-off zwischen Seebeck-Koeffizient und elektrischer Leitfähigkeit.The best thermoelectric materials should have the thermal properties of glass and the electrical properties of a perfect single crystal. Semiconducting materials offer the best trade-off between Seebeck coefficient and electrical conductivity.
Im Stand der Technik sind zahlreiche Materialien bekannt, die einen möglichst hohen Gütefaktor ZT haben sollen. Jahrzehntelang waren die maximalen Gütefaktoren auf Werte bis 1 begrenzt. 1993 wurde von Hicks und Dresselhaus (Phys. Rev. B, 47, 12727 (1993)) ein theoretischer Artikel veröffentlicht, in dem die Bedeutung von einer elektrischen Leitfähigkeit mit einer Dimension von weniger als 3 als ein Schlüssel zur Verbesserung des Gütefaktors von thermoelektrischen Materialien beschrieben wurde.Numerous materials are known in the prior art, which should have the highest possible quality factor ZT. For decades, the maximum quality factors were limited to values up to 1. In 1993, Hicks and Dresselhaus (Phys. Rev. B, 47, 12727 (1993)) published a theoretical article in which the importance of electrical conductivity with a dimension of less than 3 is a key to improving the quality factor of thermoelectric materials has been described.
In der Folge wurden zahlreiche Materialien entwickelt, die entweder mit niedrigerer Dimension durch einen mikrolithografischen Prozess dimensioniert waren oder die in der Nähe einer Phasentrennung lagen. 1997 wurde von I. Terasaki (I. Terasaki, Phys. Rev. B, 56, R12685 (1997)) von NaxCo2O4 als einem wirkungsvollen oxidischen thermoelektrischen Material berichtet. Danach wurden weitere oxidische thermoelektrische Materialien entdeckt.As a result, numerous materials were designed, either dimensioned to a smaller dimension by a microlithographic process or near phase separation. In 1997, I. Terasaki (I.Terasaki, Phys. Rev. B, 56, R12685 (1997)) reported Na x Co 2 O 4 as an effective oxidic thermoelectric material. Thereafter, further oxide thermoelectric materials were discovered.
Die größten überlieferten Gütefaktoren ZT in Oxiden sollen oberhalb von 2 liegen. So berichtete Ohta et al. (Ohta et al., Nature Materials 6, 129 (2007)), dass bei SrTiO3 ein hochdichtes zweidimensionales Elektronengas, das in einer SrTiO3-Schicht einer Einheitszellendicke enthalten ist, einen guten Gütefaktor aufweist. Der Gütefaktor ZT wird für ein zweidimensionales Elektronengas dieser Struktur auf 2,4 geschätzt, was einem Gütefaktor von 0,24 für das vollständige dreidimensionale System entspricht, die das zweidimensionale Elektronengas als aktiven Bereich aufweist.The largest surviving quality factors ZT in oxides should be above 2. Thus, Ohta et al. (Ohta et al., Nature Materials 6, 129 (2007)) that for SrTiO 3, a high-density two-dimensional electron gas contained in a SrTiO 3 layer of unit cell thickness has a good quality factor. The quality factor ZT is estimated to be 2.4 for a two-dimensional electron gas of this structure, which corresponds to a quality factor of 0.24 for the complete three-dimensional system having the two-dimensional electron gas as the active region.
Heutzutage werden ungefähr 60% aller Energieressourcen als Abwärme vergeudet. Könnte man diese überschüssige Wärme absorbieren, so wäre es möglich den Verbrauch fossiler Brennstoffe, die Hauptursache gegenwärtiger hoher CO2-Emissionen, zu reduzieren. Energie könnte somit wirksamer genutzt werden und dazu beitragen eine Lösung zum Problem globaler Erwärmung zu finden. Eine gute Gelegenheit zur Energierückgewinnung besteht in der direkten Umwandlung der Abwärme in elektrische Energie. Sogenannte thermoelektrische Materialien, die dies bewerkstelligen können, nutzen den im Jahre 1821 von Thomas Johann Seebeck entdeckten Seebeck-Effekt. Ein thermoelektrisches Modul besteht aus zwei verschiedenen thermoelektrischen Materialien, einem n-dotierten (die Leitfähigkeit beruht auf freien negativen Elektronen) und einem p-dotierten (leitfähig auf Grund positiver Löcher). Diese Materialien sind untereinander elektrisch in Serie und thermisch parallel verbunden. Üblicherweise in solchen Modulen verwendete Materialien sind zum Beispiel PbTe und SiGe. PbTe ist zur Zeit in einigen Versuchsfahrzeugen im Einsatz, während SiGe in der Raumfahrt zur Anwendung kommt.Today, about 60% of all energy resources are wasted as waste heat. If it were possible to absorb this excess heat, it would be possible to reduce the consumption of fossil fuels, the main cause of current high CO 2 emissions. Energy could thus be used more effectively and help to find a solution to the problem of global warming. A good opportunity for energy recovery is the direct conversion of waste heat into electrical energy. So-called thermoelectric materials, which can accomplish this, use the Seebeck effect discovered in 1821 by Thomas Johann Seebeck. A thermoelectric module consists of two different thermoelectric materials, an n-doped (the conductivity is based on free negative electrons) and a p-doped (conductive due to positive holes). These materials are electrically interconnected in series and thermally connected in parallel. For example, materials commonly used in such modules are PbTe and SiGe. PbTe is currently in use in some experimental vehicles, while SiGe is used in aerospace applications.
Bedeutende Anwendungsbereiche der Thermoelektrizität sind unter anderem die Automobilindustrie oder große in der Industrie eingesetzte Vorrichtungen, wie Schmelzöfen, die sehr viel Energie als Abwärme freisetzen. SiGe ist für solche Anwendungen nicht geeignet, da Germanium ein sehr seltenes und teueres Material ist, das sich nicht für Massenherstellungen eignet. PbTe kommt in einigen Versuchsfahrzeugen zur Anwendung, wird jedoch in Pkws (mit Ausnahme der Batterie) ab 2018 wegen der giftigen, umweltschädigenden Eigenschaften des Bleis verboten sein. Auch eignet sich Tellurium ebenfalls auf Grund seiner Seltenheit und seines Preises nicht für die Massenproduktion. Für Hochtemperaturanwendungen (z. B. Schmelzöfen) ist PbTe ungeeignet, da es nur bei Temperaturen bis zu 600°C verwendbar ist.Significant applications of thermoelectricity include the automotive industry or large industrial devices such as smelting furnaces that release a great deal of energy as waste heat. SiGe is not suitable for such applications because germanium is a very rare and expensive material that is not suitable for mass production. PbTe is used in some experimental vehicles, but will be banned in passenger cars (except the battery) from 2018 due to the toxic, polluting properties of lead. Also Tellurium is also due to its rarity and its price not for mass production. For high temperature applications (eg smelting furnaces) PbTe is unsuitable as it can only be used at temperatures up to 600 ° C.
Einen Ausweg aus dieser Lage könnten gewisse Oxide ermöglichen. Es handelt sich um ungiftige, in keiner Weise umweltschädigende Materialien. Die Ausgangsstoffe sind sehr kostengünstig verfügbar. Ein weiterer Vorteil besteht in der guten thermischen und chemischen Stabilität dieser Materialien. Nachteilig ist die Tatsache, dass ihr Gütefaktor (ZT) weniger gut als bei anderen Materialien, wie zum Beispiel PbTe ist. Da der thermoelektrische Wirkungsgrad eines Moduls linear mit der Temperatur ansteigt, können oxidische Thermoelektrika jedoch bei hohen Temperaturen verwendet werden.A way out of this situation could allow certain oxides. These are non-toxic, environmentally harmless materials. The starting materials are available at very low cost. Another advantage is the good thermal and chemical stability of these materials. The disadvantage is the fact that their quality factor (ZT) is less good than other materials, such as PbTe. Since the thermoelectric Efficiency of a module increases linearly with temperature, however, oxidic thermoelectrics can be used at high temperatures.
Die Qualität eines thermoelektrischen Materials wird durch die dimensionslose Gütezifferausgedrückt, wobei S der Seebeck-Koeffizient (eine Materialkonstante), σ die elektrische Leitfähigkeit, κ die Wärmeleitfähigkeit und T die Temperatur ist. Obwohl Oxide niedrigere ZT-Werte als manche anderen Materialien aufweisen, können sie wegen ihrer hohen thermischen Stabilität mit diesen konkurrieren. Eine bedeutende Erhöhung der Wirksamkeit wird auch durch die Herstellung Nanostrukturen aufweisender Thermoelektrika erhalten, wie dies in den theoretischen Arbeiten von M. Dresselhaus und L. D. Hicks gezeigt wurde.The quality of a thermoelectric material is determined by the dimensionless figure of merit where S is the Seebeck coefficient (a material constant), σ is the electrical conductivity, κ is the thermal conductivity, and T is the temperature. Although oxides have lower ZT values than some other materials, they can compete with them because of their high thermal stability. A significant increase in efficacy is also obtained by the production of nanostructured thermoelectrics, as shown in the theoretical work of M. Dresselhaus and LD Hicks.
Das große Interesse an den Oxiden der Übergangsmetalle als Thermoelektrika ergab sich aus der Entdeckung des NaCo2O4 durch Ichiro Terasaki im Jahre 1997. Die besten bisher bekannten thermoelektrischen Oxidmaterialien sind polykristallines ZnO (n-dotierter Halbleiter, ZT = 0,65) und Ca3Co4O9-Einkristalle (p-dotierter Halbleiter, ZT = 0,87).The great interest in the oxides of the transition metals as thermoelectrics arose from the discovery of NaCo 2 O 4 by Ichiro Terasaki in 1997. The best known thermoelectric oxide materials to date are polycrystalline ZnO (n-doped semiconductor, ZT = 0.65) and Ca 3 Co 4 O 9 single crystals (p-doped semiconductor, ZT = 0.87).
Thermoelektrische Oxidmaterialien werden heutzutage meist als Keramiken hergestellt, deren Vorteil eine sich aus ihrer Reinheit ergebende hohe elektrische Leitfähigkeit ist. Nachteilig wirkt sich hierbei die Tatsache aus, dass Keramik porös und somit weniger fest ist. Auch ist es sehr schwierig, im Innern des Materials Nanostrukturen zu schaffen, da es während der Sinterprozesse im keramischen Herstellungsprozess zu schwer kontrollierbarem Kornwachstum kommt. Dadurch zeigt selbst eine aus nanokristallinem Pulver hergestellte Keramik oft Kristallgrößen von mehreren Mikrometern. In dieser Hinsicht ist Glaskeramik vorteilhafter und aus den Schriften
Die im Stand der Technik bekannten thermoelektrischen Materialien sind nicht zufriedenstellend, da sie teilweise äußerst schwierig herzustellen sind, sehr teuer sind, toxische Bestandteile enthalten und/oder mechanisch instabil sind.The thermoelectric materials known in the prior art are unsatisfactory because they are sometimes extremely difficult to produce, are very expensive, contain toxic components and / or are mechanically unstable.
Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein verbessertes thermoelektrisches Material mit möglichst guten Eigenschaften anzugeben, das auf eine einfache und möglichst kostengünstige Weise reproduzierbar herstellbar ist.The object of the invention is therefore to provide an improved thermoelectric material with the best possible properties, which can be reproducibly produced in a simple and cost-effective manner possible.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Glaskeramik, die folgende Bestandteile (in Gew.-% auf Oxidbasis) enthält:
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen gelöst. Erfindungsgemäß wurde nämlich erkannt, dass eine Glaskeramik von Natur aus die notwendigen Eigenschaften zur Herstellung eines thermoelektrischen Materials mit einem hohen Gütefaktor ZT aufweist. Da die Glasmatrix elektrisch nicht leitend ist, wird bei einem elektrisch leitfähigen Kristallphasenanteil eine elektrische Leitfähigkeit erreicht, die keine Volumenleitfähigkeit ist, da die Glasmatrix ja elektrisch nicht leitend ist. Auf diese Weise wird erfindungsgemäß ein thermoelektrisches Material angegeben, das dann, wenn der Kristallphasenanteil durch Dotierung elektrisch leitfähig ist, eine elektrische Leitfähigkeit von niedrigerer Dimension aufweist, so dass sich ein verbesserter Gütefaktor ZT ergibt. Erfindungsgemäß wurde also erkannt, dass eine Glaskeramik von Natur aus die Eigenschaften für ein thermoelektrisches Material mit hohem Gütefaktor liefert, sofern durch die Dotierung eine elektrische Leitfähigkeit des Kristallphasenanteils erreicht wird.The object of the invention is completely solved in this way. In fact, according to the invention, it has been recognized that a glass ceramic inherently has the necessary properties for producing a thermoelectric material having a high quality factor ZT. Since the glass matrix is electrically non-conductive, an electrical conductivity is achieved in an electrically conductive crystal phase portion, which is not a volume conductivity, since the glass matrix is indeed electrically non-conductive. In this way, according to the invention, a thermoelectric material is specified which, when the crystal phase fraction is electrically conductive by doping, has an electrical conductivity of lower dimension, so that an improved quality factor ZT results. According to the invention, it has therefore been recognized that a glass ceramic inherently provides the properties for a thermoelectric material with a high quality factor, provided that the doping results in electrical conductivity of the crystal phase portion.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Glaskeramik beschrieben. Die Glaskeramik enthält vorzugsweise wenigstens einen der folgenden Bestandteile aus folgendem Zusammensetzungsbereich (in Gew.-% auf Oxidbasis):
Die Glaskeramik enthält vorzugsweise als Hauptkristallphase Bi8Sr8Co4O25, Bi2Sr2Co2O9 oder BiSrCo2Ox, mit x von 6 bis 7.The glass-ceramic preferably contains as main crystal phase Bi 8 Sr 8 Co 4 O 25 , Bi 2 Sr 2 Co 2 O 9 or BiSrCo 2 O x , with x of 6 to 7.
Die Hauptkristallphase der Glaskeramik ist vorzugsweise bis auf unvermeidliche Spuren frei von Calcium.The main crystal phase of the glass-ceramic is preferably free of calcium, except for unavoidable traces.
Die Glaskeramik ist vorzugsweise aus einem Glas mittels Keramisierung des Glases unter Erhalt der Glaskeramik hergestellt. The glass-ceramic is preferably made of a glass by ceramization of the glass to obtain the glass-ceramic.
Der ZT-Wert der Glaskeramik liegt vorzugsweise im Bereich von 0,005 bis 3.The ZT value of the glass-ceramic is preferably in the range of 0.005 to 3.
Vorzugsweise wird die Glaskeramik zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie, insbesondere von Motorwärme oder Abgaswärme von Automobilen oder von Abwärme von Industrieanlagen in elektrische Energie, verwendet.The glass ceramic is preferably used for converting thermal energy into electrical energy, in particular engine heat or exhaust heat of automobiles or waste heat from industrial installations into electrical energy.
Vorzugsweise umfasst ein thermoelektrisches Bauelement eine erfindungsgemäße Glaskeramik.A thermoelectric component preferably comprises a glass ceramic according to the invention.
Der Kristallphasenanteil bei der Glaskeramik sollte vorzugsweise 10 bis 80 Vol.-%, weiter bevorzugt 20 bis 70 Vol.-% betragen.The crystal phase content in the glass-ceramic should preferably be 10 to 80% by volume, more preferably 20 to 70% by volume.
Die Glaskeramik kann eine p-Dotierung oder eine n-Dotierung aufweisen.The glass ceramic may have a p-type doping or an n-type doping.
Eine Dotierung der Kristallphase an der Sauerstoffseite mit Fluor führt zu einer n-Leitfähigkeit.A doping of the crystal phase on the oxygen side with fluorine leads to an n-type conductivity.
Ausführungsbeispiele (BSCO-1 und BSCO-2):Exemplary embodiments (BSCO-1 and BSCO-2):
Es wurde eine Glaskeramik des Typs Bi8Sr8Co4O25/ BiSrCo2Ox (BSCO-1) erhalten. Nach Prüfung der Eigenschaften dieses Materials wurde eine zweite Glaskeramik geschmolzen, mit dem Ziel eine BiSrCo2Ox (BSCO-2) Glaskeramik zu erhalten. Hierzu wurde eine erfindungsgemäße Glaskeramik geschmolzen, gegossen und zwischen zwei Kupferplatten abgeschreckt. Für beide Proben erfolgte nach dem Gießen vollständiges Auskristallisieren, wobei die Kristallisierung nur begrenzt kontrolliert werden konnte. Mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommene Bilder zeigen die hohe Dichte der Glaskeramik. Röntgenbeugungsdiagramme zeigen die von der frühen Kristallisierung herrührende Unreinheit der Materialien. Die thermoelektrischen Eigenschaften dieser ersten Glaskeramiken wurden bestimmt und ergaben einen Gütefaktor (den sogenannten ZT-Wert) von ZTBSCO-1, = 0,008 und ZTBSCO-2 = 0,017 bei 700°C.A glass-ceramic of the type Bi 8 Sr 8 Co 4 O 25 / BiSrCo 2 O x (BSCO-1) was obtained. After examining the properties of this material, a second glass ceramic was melted with the aim of obtaining a BiSrCo 2 O x (BSCO-2) glass-ceramic. For this purpose, a glass ceramic according to the invention was melted, cast and quenched between two copper plates. For both samples, complete crystallization took place after casting, whereby crystallization could only be controlled to a limited extent. Images taken with a scanning electron microscope show the high density of the glass-ceramic. X-ray diffraction patterns show the impurity of the materials resulting from the early crystallization. The thermoelectric properties of these first glass ceramics were determined and gave a figure of merit (the so-called ZT value) of ZT BSCO-1 , = 0.008 and ZT BSCO-2 = 0.017 at 700 ° C.
Glaskeramik bildet eine vielversprechende Klasse neuer thermoelektrischer Materialien. Die die thermoelektrische Phase umgebende zusätzliche Glasphase senkt die Wärmeleitfähigkeit und erhöht die Stabilität dieses vollkommen porenfreien Materials. Dabei kommt es darauf an, dass der Anteil der thermoelektrischen Phase weiterhin hoch bleibt, so dass die Kristalle untereinander verbunden sind. Die Glasphase sollte nur dazu dienen Poren zu verhindern, die Wärmeleitfähigkeit des Materials zu senken und es gegen äußere Einflüsse zu schützen. Ein großer Vorteil der Glaskeramik besteht zudem darin, dass in ihrem Innern Kristalle einer Größe von einigen Nanometern wachsen können, welche die thermoelektrischen Eigenschaften positiv beeinflussen.Glass-ceramic is a promising class of new thermoelectric materials. The additional glass phase surrounding the thermoelectric phase lowers the thermal conductivity and increases the stability of this completely nonporous material. It is important that the proportion of the thermoelectric phase remains high, so that the crystals are interconnected. The glass phase should only serve to prevent pores, reduce the thermal conductivity of the material and protect it against external influences. Another major advantage of glass ceramics is that they can grow crystals of a few nanometers in size, which positively influence the thermoelectric properties.
Die Proben wurden mittels eines Schmelzverfahrens vorbereitet. Für BSCO-1 wurden CoO, CaCO3, Bi2O3 und SrCO3 in einem atomaren Verhältnis von 2:1:1:1 gemischt. Zusätzlich wurde etwas Al2O3 beigefügt und in einem Platin-Iridium-Schmelztiegel geschmolzen. Die Mischung wurde während 30 Minuten bei 1500°C geschmolzen und dann auf eine Kupferplatte gegossen und mit einer zweiten Kupferplatte abgeschreckt.The samples were prepared by a melt process. For BSCO-1, CoO, CaCO 3 , Bi 2 O 3 and SrCO 3 were mixed in an atomic ratio of 2: 1: 1: 1. In addition, some Al 2 O 3 was added and melted in a platinum-iridium crucible. The mixture was melted for 30 minutes at 1500 ° C and then poured onto a copper plate and quenched with a second copper plate.
Für BSCO-2 wurden CoO, Bi2O3 und SrCO3 in einem molaren Verhältnis von 2:1:2 gemischt und etwas zusätzliches B2O3 in die Mischung gegeben. Diese wurde in einem Platin-Iridium-Tiegel 30 Minuten lang bei 1500°C geschmolzen. Danach wurde sie auf eine Kupferplatte gegossen und mit einer zweiten Kupferplatte abgeschreckt.For BSCO-2, CoO, Bi 2 O 3 and SrCO 3 were mixed in a molar ratio of 2: 1: 2 and some additional B 2 O 3 was added to the mixture. This was melted in a platinum-iridium crucible for 30 minutes at 1500 ° C. Then it was cast on a copper plate and quenched with a second copper plate.
Zur Identifizierung der Materialstruktur wurden einige REM-Bilder mittels dem System Zeiss LEO 1530 Gemini aufgenommen. Die Röntgenbeugungsdiagramme (XRD) wurden mit dem Gerät X'Pert Pro MPD der Firma PANalytical erhalten. Die thermischen Eigenschaften der Materialien wurden mittels dynamischer Differenz-Kalorimetrie (DSC) mit einem DSC 404 Pegasus von Netzsch Gerätebau GmbH gemessen.To identify the material structure, some SEM images were taken using the Zeiss LEO 1530 Gemini system. The X-ray diffraction patterns (XRD) were obtained with the device X'Pert Pro MPD from PANalytical. The thermal properties of the materials were measured by differential scanning calorimetry (DSC) with a DSC 404 Pegasus from Netzsch Gerätebau GmbH.
Für die Messungen der temperaturabhängigen elektrischen Leitfähigkeiten und der Seebeck-Koeffizienten wurden aus diesen Materialen einige 10 × 2 × 2 mm3 große Stäbchen vorbereitet. Einige 1 mm dicke Scheiben eines Durchmessers von 10 mm wurden zur Messung der Wärmeleitfähigkeit angefertigt.For the measurements of the temperature-dependent electrical conductivities and the Seebeck coefficients, a few 10 × 2 × 2 mm 3 rods were prepared from these materials. Some 1 mm thick disks of 10 mm diameter were made to measure the thermal conductivity.
Zur Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten und der elektrischen Leitfähigkeit von BSCO-1 wurde ein Ozawa Science RZ2001i verwendet. Die Messungen erfolgten in einer O2-Atmosphäre in einem Temperaturbereich von 50°C bis zu 700°C. Die Fehler durch die Messgenauigkeit der Thermoelemente, die Probengeometrie und das Ausmitteln der bei jeder Messung erhaltenen 5 Datenpunkte sollten bei 5% liegen.To determine the Seebeck coefficient and electrical conductivity of BSCO-1, an Ozawa Science RZ2001i was used. The measurements were carried out in an O 2 atmosphere in a temperature range from 50 ° C up to 700 ° C. The errors due to the measurement accuracy of the thermocouples, the sample geometry and the average of the 5 data points obtained in each measurement should be 5%.
Für die Messung der Temperaturleitfähigkeit α wurde das Gerät Netzsch LFA 457 MicroFlash verwendet. Dieser Wert ermöglicht, zusammen mit der Dichte ρ der Probe und deren spezifischer Wärmekapazität cp die Berechnung der Wärmeleitfähigkeit κ mittels der Formel:
Wegen der verschiedenen zur Berechnung der technischen Leitfähigkeit benötigten Messungen beläuft sich der Fehler auf ungefähr 7,5%. Because of the various measurements required to calculate the technical conductivity, the error is approximately 7.5%.
Zur Messung des Seebeck-Koeffizienten und der elektrischen Leitfähigkeit von BSCO-2 wurde ein Linseis LSR-3 verwendet. Im Gegensatz zu BSCO-1 wurden diese Messungen an Luft durchgeführt. Wir nehmen an, dass der Fehler bei 5–10% liegt. Für die Messungen der Temperaturleitfähigkeit wurde ebenfalls ein Netzsch LFA 457 MicroFlash verwendet.A Linseis LSR-3 was used to measure the Seebeck coefficient and electrical conductivity of BSCO-2. In contrast to BSCO-1, these measurements were carried out in air. We assume that the error is 5-10%. For the measurements of the thermal diffusivity a Netzsch LFA 457 MicroFlash was also used.
Die erste Schmelze (BSCO-1) war sehr dünnflüssig, weshalb angenommen werden kann, dass in der Schmelze keine Kristallisationskeime mehr vorhanden waren. Trotzdem erfolgte komplettes Auskristallisieren der Schmelze nach dem Gießen. Aus diesem Grund konnte die Kristallisierung nicht kontrolliert werden, was eine Unreinheit des Materials bewirkte. Wie das Röntgenbeugungsdiagramm von BSCO-1 zeigt, besteht die Hauptphase aus Bi8Sr8Co4O25 (JCPDS 85-1501), die gute thermoelektrische Eigenschaften aufweist. Zusätzlich zu dieser Phase entstanden auch drei andere Kristallphasen, einschließlich CoO (JCPDS 48-1719), das als guter Isolator mit einer Bandlücke von ungefähr 2,5 ± 0,3 eV bekannt ist. Das Vorhandensein von CoO wird deshalb die thermoelektrischen Eigenschaften des Materials beeinträchtigen. Die beiden anderen Phasen sind Sr0,5CoBi0,5Ox (JCPDS 49-0691) und CaSrBi2O5 (JCPDS 49-1539). Es ist anzunehmen, dass Sr0,5CoBi0,5Ox ebenfalls gute thermoelektrische Eigenschaften aufweist, während CaSrBi2O5 den thermoelektrischen Eigenschaften des Materials abträglich ist.The first melt (BSCO-1) was very fluid, which is why it can be assumed that no crystallization nuclei were present in the melt. Nevertheless, complete crystallization of the melt occurred after casting. For this reason, the crystallization could not be controlled, causing an impurity of the material. As the X-ray diffraction pattern of BSCO-1 shows, the main phase consists of Bi 8 Sr 8 Co 4 O 25 (JCPDS 85-1501), which has good thermoelectric properties. In addition to this phase, three other crystal phases also formed, including CoO (JCPDS 48-1719), which is known to be a good insulator with a bandgap of approximately 2.5 ± 0.3 eV. The presence of CoO will therefore affect the thermoelectric properties of the material. The other two phases are Sr 0.5 CoBi 0.5 O x (JCPDS 49-0691) and CaSrBi 2 O 5 (JCPDS 49-1539). It can be assumed that Sr 0.5 CoBi 0.5 O x also has good thermoelectric properties, while CaSrBi 2 O 5 is detrimental to the thermoelectric properties of the material.
Die zweite Schmelzung (BSCO-2) wurde in der Absicht durchgeführt, die Schmelze entsprechend zu stabilisieren, um zunächst ein richtiges Glas erhalten zu können. Hierzu musste die Zusammensetzung in einem gewissen Verhältnis gemischt werden, um eine in einem Glasbildungsbereich des ternären Zustandsdiagramms liegende Mischung zu erhalten. Abschätzungen solcher Bereiche wurden vorgenommen. Weiterhin erfolgten Bemühungen zur Unterdrückung der sekundären Phasen, wozu Al2O3 ausgeschlossen und an seiner Stelle etwas B2O3 beigegeben wurde, welches zusammen mit Bi2O3 gute glasbildende Wirkung hat. Letztlich sollte die Phase Bi2Sr2Co2O9 erhalten werden, weshalb auch CaCO3 ausgeschlossen und dessen Anteil dem SrCO3 zugefügt wurde.The second melt (BSCO-2) was carried out with the intention to stabilize the melt accordingly, in order to be able to obtain a proper glass first. To do this, the composition had to be mixed in some proportion to obtain a mixture lying in a glass formation region of the ternary state diagram. Estimates of such areas have been made. Furthermore, efforts were made to suppress the secondary phases, excluding Al 2 O 3 and adding in its place some B 2 O 3 which, together with Bi 2 O 3, has good glass-forming activity. Finally, the phase Bi 2 Sr 2 Co 2 O 9 should be obtained, which is why CaCO 3 was also excluded and its proportion was added to the SrCO 3 .
Auch diese Schmelze war sehr dünnflüssig und kristallisierte nach dem Gießen ebenfalls vollkommen aus, weshalb auch hier die Kristallisierung nicht kontrolliert werden konnte, was an den im Röntgenbeugungsdiagramm von
Die
Auch BSCO-2 enthält verschiedene Phasen. Jedoch sind die verschiedenen kristallhaltigen Bereiche viel größer als bei BSCO-1. Die Phasen 1 und 2 bestehen aus reinem CoO, die Phasen 3 und 4 aus reinem Sr0,5CoBi0,5Ox und die Phasen 5 und 6 aus SrBi4O7.Also BSCO-2 contains different phases. However, the different crystalline regions are much larger than BSCO-1.
Wie man sieht, ist in dieser Probe der Gehalt an Sr0,5CoBi0,5Ox viel höher als bei BSCO-1. Dies ist der Grund für die so starke Erhöhung des Seebeck-Koeffizienten. Alle geprüften Punkte der Probe BSCO-1 haben einen gewissen Aluminiumoxid-Anteil, was ein Hinweis darauf ist, dass Aluminumoxid auch als amorphe Phase vorliegt.As can be seen, in this sample, the content of Sr 0.5 CoBi 0.5 O x is much higher than that of BSCO-1. This is the reason for the strong increase in the Seebeck coefficient. All tested points of the BSCO-1 sample have some alumina content, indicating that alumina is also present as an amorphous phase.
Die temperaturabhängigen elektrischen Leitfähigkeiten der beiden Proben sind inThe temperature-dependent electrical conductivities of the two samples are in
Die sich hieraus ergebenden Leistungsfaktoren der beiden Schmelzen sind in
Die Wärmeleitfähigkeiten der beiden Proben unterscheiden sich nicht sehr. Nur im Temperaturbereich zwischen 100°C und 250°C und bei 700°C können einige bedeutende Unterschiede festgestellt werden. Für die Probe BSCO-2 ergibt sich eine Abnahme mit steigender Temperatur, wie man dies für einen (p-dotierten) Halbleiter erwarten konnte. Es wird ein Wert von ungefähr 1,53 W/(m·K) bei 700°C erhalten. BSCO-1 zeigt im Temperaturbereich bis zu 650°C ein nahezu konstantes Verhalten. Nur bei 350°C ist eine leichte Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit sichtbar. Hingegen ist der Wert bei 700°C wesentlich geringer als man aus dem vorangehenden Kurvenverlauf erwarten sollte. Dies entspricht den Messungen der spezifischen Wärmekapazität cp, die bei 700°C einen Tiefpunkt zeigte. Die Temperaturleitfähigkeit nimmt mit zunehmender Temperatur kontinuierlich ab. Wir erhalten hieraus einen Wert von 1,28 W/(m·K) für die Wärmeleitfähigkeit bei 700°C.The thermal conductivities of the two samples are not very different. Only in the temperature range between 100 ° C and 250 ° C and at 700 ° C can some significant differences be noted. For sample BSCO-2, there is a decrease with increasing temperature, as one might expect for a (p-doped) semiconductor. A value of about 1.53 W / (m · K) at 700 ° C is obtained. BSCO-1 shows a nearly constant behavior in the temperature range up to 650 ° C. Only at 350 ° C is a slight increase in thermal conductivity visible. By contrast, the value at 700 ° C is much lower than one would expect from the previous curve. This corresponds to the measurements of the specific heat capacity cp, which showed a low point at 700 ° C. The thermal conductivity decreases continuously with increasing temperature. We obtain a value of 1.28 W / (m · K) for the thermal conductivity at 700 ° C.
Die entsprechenden Güteziffern ZT sind in
Die ZT-Werte dieser Glaskeramiken sind 1 bis 2 Größenordnungen geringer als bei gewöhnlicher oxidischer Bulk-Keramik. Um diesen Wert zu erhöhen muss die Schmelze in solcher Weise stabilisiert werden, dass sich nach dem Gießen ein richtiges Glas ergibt, was durch leichte Änderung der Zusammensetzungen möglich sein sollte. Nur bei einem Glas kann eine kontrollierte Kristallisierung durch spezielle Wärmebehandlung des Glases erhalten werden. Hierdurch könnte auch die von anderen Phasen herrührende Unreinheit unterdrückt und somit eine einphasige Glaskeramik erhalten werden. Im Endeffekt wäre dann der Anteil der Hauptphase wesentlich höher als bei den vorliegenden Proben, woraus sich höhere elektrische Leitfähigkeiten und höhere Seebeck-Koeffizienten ergeben würden.The ZT values of these glass-ceramics are 1 to 2 orders of magnitude lower than for ordinary bulk oxide ceramics. To increase this value, the melt must be stabilized in such a way as to give a proper glass after casting, which should be possible by slightly changing the compositions. Only with a glass can a controlled crystallization be obtained by special heat treatment of the glass. As a result, impurity resulting from other phases could also be suppressed and thus a single-phase glass ceramic obtained. Ultimately, the proportion of the main phase would then be much higher than for the present samples, which would result in higher electrical conductivities and higher Seebeck coefficients.
Beide Schmelzen kristallisierten nach dem Gießen vollkommen aus und weisen deshalb wegen der unkontrollierten Kristallisierung einen nennenswerten Anteil an unerwünschten Nebenphasen auf. Die Hauptphasen der Proben waren Bi8Sr8Co4O25/Sr0,5CoBi0,5Ox und der Anteil der thermoelektrischen Phase war innerhalb BSCO-2 höher als bei BSCO-1. Das zweite Material konnte im Vergleich zum ersten bedeutsam verbessert werden, woraus sich ein ZT von 0,017 bei 700°C ergab. Um diesen Wert noch weiter zu erhöhen, müssen die elektrische Leitfähigkeit und der Seebeck-Koeffizient durch Reduzierung der unerwünschten Nebenphasen der Probe verbessert werden, so dass eine einphasige Glaskeramik erhalten werden kann.Both melts crystallized completely after casting and therefore have a significant amount of unwanted secondary phases because of the uncontrolled crystallization. The main phases of the samples were Bi 8 Sr 8 Co 4 O 25 / Sr 0.5 CoBi 0.5 O x, and the thermoelectric phase ratio was higher within BSCO-2 than BSCO-1. The second material could be significantly improved compared to the first, resulting in a ZT of 0.017 at 700 ° C. To further increase this value, the electrical conductivity and Seebeck coefficient must be improved by reducing the unwanted secondary phases of the sample so that a single-phase glass-ceramic can be obtained.
Zusätzlich ist zu erwähnen, dass diese Proben Hochtemperaturstabilität aufweisen. Sie sind im gesamten Temperaturbereich bis 700°C thermisch zyklierbar. Aus Gründen der Klarheit wurden jedoch die bei der Abkühlung gemessenen Werte in den Figuren nicht gezeigt.In addition, it should be noted that these samples have high temperature stability. They can be thermally cycled in the entire temperature range up to 700 ° C. For the sake of clarity, however, the values measured during cooling were not shown in the figures.
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