Bleitellurid mit erhöhter mechanischer Stabilität für zylindrische thermoelektrische Generatoren

Schmitz, Andreas; Wuttig, Matthias

doi:999910306096

Bleitellurid mit erhöhter mechanischer Stabilität für zylindrische thermoelektrische Generatoren = Lead telluride with increased mechanical stability for cylindrical thermoelectric generators

Schmitz, Andreas (Author)

2013

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andreas Schmitz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2013

UmfangXI, 137 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2013

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2013-04-30

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-45661
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/211229/files/4566.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Thermoelektrischer Generator (Genormte SW) ; Thermoelektrizität (Genormte SW) ; Bleitellurid (Genormte SW) ; Sintern (Genormte SW) ; Drucksintern (Genormte SW) ; Heißpressen (Genormte SW) ; Lanthan (Genormte SW) ; Calcium (Genormte SW) ; Physik (frei) ; thermoelectrics (frei) ; thermoelectric generator (frei) ; lead telluride (frei) ; sintering (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Ziel dieser Arbeit ist es, die mechanische Stabilität von Bleitellurid (PbTe) zu verbessern, wobei der Versuch unternommen wird, die mechanischen Eigenschaften unabhängig von den thermoelektrischen Eigenschaften zu variieren. Zu diesem Zweck wurde der Einfluss der Materialpräparation sowie verschiedener Dotierungen auf die mechanischen und thermoelektrischen Eigenschaften von Bleitellurid untersucht. Das Mahlen und Sintern von Bleitellurid führt bei geeigneter Einstellung der Prozessparameter zu einer erhöhten Härte des Materials. Sintertemperaturen von über 300°C führen zu stabilem Material hoher Dichte. Das Mahlen des Bleitellurids erzeugt Gitterdefekte, die die Ladungsträgerkonzentration im Material reduzieren. Diese Defekte werden mit steigender Sintertemperatur zunehmend abgebaut. Bei der thermischen Zyklierung des Materials führen durch das Mahlen eingebrachte Verunreinigungen zu einer deutlichen Reduktion der Dichte der Proben. Darüber hinaus führt das Ausdampfen von Tellur bei erhöhten Temperaturen zu einer Instabilität der thermoelektrischen Eigenschaften. Beste thermoelektrische und mechanische Eigenschaften wurden im Rahmen dieser Arbeit bei Sintertemperaturen von ca. 400°C unter Verwendung von grob gemörsertem Pulver mit breiter Korngrößenverteilung erreicht. Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Konzept entwickelt, die mechanischen Eigenschaften von Bleitellurid durch Legierungsbildung mit Elementen, die elektrisch nicht dotierend wirken und so die thermoelektrischen Eigenschaften möglichst nicht beeinflussen, zu variieren. Es wurde daher das System Pb1-xCaxTe mechanisch und thermoelektrisch untersucht. Die Dotierung von PbTe mit Calcium führt zu einer deutlichen Zunahme der Materialhärte bei unverändertem elastisch-plastischen Verhalten. Gleichzeitig wirkt Calcium nur minimal dotierend und hält die thermoelektrischen Eigenschaften bis auf eine Reduktion der elektrischen Leitfähigkeit weitgehend unverändert. Am Beispiel von natriumdotiertem Bleitellurid, wie es für thermoelektrische Generatoren genutzt wird, wurde das beschriebene Konzept bestätigt: Die zusätzliche Calciumdotierung führt zu einer Zunahme der Materialhärte bei nach wie vor sehr guten thermoelektrischen Eigenschaften mit einer maximalen Gütezahl von ZT = 1,2. Erstmals wurden im Rahmen dieser Arbeit neben den thermoelektrischen auch die mechanischen Eigenschaften von lanthandotiertem Bleitellurid untersucht. Lanthan führt zu einer deutlichen Zunahme der Härte des Materials. In den gesinterten Proben finden sich in großer Menge lanthanreiche Ausscheidungen, was teilweise auf die verwendete Präparationsroute zurückgeführt wird. Darüber hinaus zeigt das Material hinsichtlich der thermoelektrischen Eigenschaften eine hohe Instabilität, deren Ursache noch ermittelt werden muss. Auf Basis der vorgestellten Prozess- und Materialentwicklungen wurde der Prototyp eines zylindrischen thermoelektrischen Generatormoduls hergestellt. Hierzu wurde ein Verfahren zum Sintern rohrförmiger Halbzeuge aus Bleitellurid entwickelt.

The aim of this work is to improve the mechanical stability of lead telluride (PbTe), trying to vary its mechanical properties independently from its thermoelectric properties. Thus the influence of material preparation as well as different dopants on the mechanical and thermoelectric properties of lead telluride is being analysed. When using appropriately set process parameters, milling and sintering of lead telluride increases the material’s hardness. With sintering temperatures exceeding 300°C stable material of high relative density can be achieved. Milling lead telluride generates lattice defects leading to a reduction of the material's charge carrier density. These defects can be reduced by increased sintering temperatures. Contamination of the powder due to the milling process leads to bloating during thermal cycling and thus reduced density of the sintered material. In addition to that, evaporation of tellurium at elevated temperatures causes instability of the material's thermoelectric properties. Based on the experimental results obtained in this work, the best thermoelectric and mechanical properties can be obtained by sintering coarse powders at around 400°C. Within this work a concept was developed to vary the mechanical properties of lead telluride via synthesis of PbTe with electrically nondoping elements, which thus may keep the thermoelectric properties unchanged. Therefore, the mechanical and thermoelectric properties of Pb1-xCaxTe were investigated. Doping pure PbTe with calcium causes a significant increase of the material's hardness while only slightly decreasing the charge carrier density and thus keeping the thermoelectric properties apart from a slight reduction of the electrical conductivity nearly unchanged. The abovementioned concept is proven using sodium doped lead telluride, as it is used for thermoelectric generators: The additional doping with calcium again increases the material's hardness while its thermoelectric properties remain at a very high level, reaching a maximum figure of merit ZT around 1.2. In addition to the thermoelectric properties the mechanical properties of lanthanum doped lead telluride were studied for the first time within this work. Lanthanum significantly increases the hardness of PbTe. SEM analysis of sintered samples reveals vast amounts of lanthanum rich precipitates within the matrix. This is partly attributed to the chosen route for material synthesis. Furthermore, the doped material's thermoelectric properties are highly unstable. The reason for this still has to be investigated. Based on the process and material developments described in this work a prototype of a tubular thermoelectric generator was constructed. In the course of this construction a process for sintering rings and tubes of lead telluride was developed and successfully implemented.

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