DLR - Institut für Werkstoff-Forschung - Charakterisierung von Funktionsmaterialien

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Charakterisierung von Funktionsmaterialien

CTEM - Kombinierte thermoelektische Messung

Die CTEM – eine Eigenentwicklung des DLR in Kooperation mit der Universität Halle - liefert eine automatisierte Simultanmessung des Seebeck-Koeffizienten, der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit sowie der thermoelektrischen Effektivität (direkte Messung mit der HARMAN-Methode). Die CTEM vereint damit innerhalb eines Zyklus der Probentemperatur die temperaturabhängige Messung der vier zentralen Materialgrößen eines thermoelektrischen Funktionswerkstoffs im Temperaturbereich von 80–450 K an prismatischen und zylindrischen bulk-Proben.

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Laser-Flash-Anlage zur Bestimmung der thermischen Diffusivität

Das Laser-Flash-Verfahren (LFA 427, Netzsch Gerätebau) wird als ein sehr elegantes, jedoch wenig verbreitetes Messverfahren zur Bestimmung der thermischen Diffusivität im Institut für Werkstoff-Forschung bei eigenen Materialentwicklungen wie auch für zahlreiche Fremdaufträge (Industriekunden und Institute) eingesetzt. Es dient zur Bestimmung der thermischen Diffusivität von homogenen Materialien und Beschichtungen an kleinen scheibenförmigen Proben. Mit einem Einsatzbereich von Raumtemperatur bis 1450 °C deckt es den Bedarf an thermischer Charakterisierung für eine Vielzahl von Material- und Systemproblematiken wie keramische Wärmedämmschichten und thermoelektrische Sensormaterialien ab.

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Messung des Seebeck-Koeffizienten bei mittleren Temperaturen (80-800K)

Der Seebeck-Koeffizient ist die zentrale Materialgröße für thermoelektrische Werkstoffe und Anwendungen. Er ist der entscheidende Parameter für den Beitrag der Ausgangsspannung thermoelektrischer Generatoren und die Empfindlichkeit thermoelektrischer Sensoren. Eine im DLR entwickelte Anlage dient zur temperaturabhängigen Bestimmung des Seebeck-Koeffizienten an plattenförmigen Proben zwischen Flüssigstickstoff-Temperatur und ca. 500 °C. Es wurde für eine schnelle und zuverlässige Seebeck-Messung an Proben variabler Geometrie bei einfachem und schnellem Probenwechsel ohne aufwändige Probenvorbereitung entwickelt.

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Hochtemperatur-Messung des Seebeck-Koeffizienten und der elektrischen Leitfähigkeit (300K - 1000K)

Ein wesentlicher Bestandteil der materialrelevanten Charakterisierung thermoelektrischer Funktionswerkstoffe ist in der Relation zwischen Seebeck-Koeffizient und elektrischer Leitfähigkeit sowie den Temperaturverläufen dieser Größen enthalten. Eine Hochtemperatur-Anlage zur Simultan-Messung beider Größen unter Vakuum an zylindrischen Proben wurde im Institut entwickelt. Zentrale Punkte für die Zuverlässigkeit des Verfahrens liegen in der stabilen Kontaktierung der Probe, einer präzisen Temperaturmessung sowie in einer schnellen und präzisen Temperaturregelung.

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Automatisierter Hall-Messplatz zur Charakterisierung elektronischer Transporteigenschaften

Halbleitereigenschaften wie die Konzentration und die Beweglichkeit von Ladungsträgern liefern wichtige Informationen für eine anwendungsorientierte thermoelektrische Materialoptimierung. Die Hall-Anlage des Institutes, ausgestattet mit einem Tieftemperatur- und Hochtemperatur-Messkopf, ermöglicht die temperaturabhängige Bestimmung von Transporteigenschaften (Hall-Koeffizient, elektrische Leitfähigkeit, Seebeck-Koeffizient) im schwachen Magnetfeld (bis 1 T) im Bereich von tiefsten bis zu sehr hohen Temperaturen (10 K–1200 K).

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Thermogenerator-Teststand zur Wirkungsgrad-Bestimmung thermoelektrischer Energiewandler

Wichtigster Leistungsparameter thermoelektrischer Generatoren (TEG) ist der Wirkungsgrad, d. h. derjenige Anteil der hindurch strömenden Wärme, der in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad kann zusammen mit weiteren technischen TEG-Kenngrößen (thermoelektrische Effektivität und effektive Thermokraft des Materials, Innenwiderstand und Wärmewiderstand des TEG) an einzelnen Generatorelementen oder kompletten Modulen mittels eines im DLR entwickelten TEG-Teststandes unter variablen thermischen und elektrischen Randbedingungen gemessen werden.

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Seebeck-Mikro-Thermosonde

zur Analyse der funktionellen Homogenität von Halbleitern Lokale Scans mit der Seebeck-Thermosonde an Halbleiter-Proben liefern eine unikale Charakterisierungsmöglichkeit zur Homogenität des Materials hinsichtlich der elektrischen Funktionseigenschaften. Das DLR hat diese unikale Technik von einem Kooperationspartner übernommen, weiterentwickelt und für eine Vielzahl von transportphysikalischen und technologischen Problemstellungen diagnostisch eingesetzt. Da der Seebeck-Koeffizient eng mit der elektrischen Leitfähigkeit verknüpft ist, eignet sich die Technik auch zur Prüfung von Standard-Halbleitern hinsichtlich der Homogenität ihrer Dotierungsverteilung.

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Temperaturgesteuerte Seebeck-Thermosonde

Die Funktionalität und der Einsatzbereich der Seebeck-Mikro-Thermosonde werden wesentlich erhöht, wenn die Probe nicht nur bei Raumtemperatur sondern auch in einem weiteren Temperaturbereich thermostatisiert werden kann. Ein verbesserter Aufbau wurde im DLR in Betrieb genommen, mit dem die Materialhomogenität bei verschiedenen Temperaturen (-20 °C – 60 °C) bestimmt werden kann und gleichzeitig die Temperaturabhängigkeit des Seebeck-Koeffizienten für ein ganzes Wertespektrum der Ladungsträgerdichte innerhalb einer Messung automatisch aufgenommen werden kann.

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Uniaxiales Heißpressen

Ein Schwerpunkt der Präparation thermoelektrischer Materialien im DLR liegt bei der presstechnischen Konsolidierung geeigneter Pulver. Ausgangspulver vielfältiger Materialgruppen (Silizide, Cobaltate, Skutterudite, Zinkantimonid, Bismuttellurid) und verschiedener Qualitäten werden verarbeitet: gasverdüste, schnellerstarrte, reaktionsgesinterte, vorgetemperte, gemahlene, gemischte, u.a. Spezielle schonende Pressverfahren wurden für nanostrukturierte Pulver entwickelt, um deren Gefügestruktur zu erhalten. Composite-Pulver aus elektrischer Funktionskomponente und keramischem Füller wurden gepreßt und die vorteilhaften Eigenschaften nachgewiesen. Apparative Grundlage dieser Arbeiten sind uniaxiale Heißpressen, die bei steuerbaren thermischen und atmosphärischen Bedingungen betrieben werden können.

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