Uniaxiales Heißpressen

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Pulverbasierte Kompaktierung thermoelektrischer Materialien

Pulvermetallurgische Präparationsrouten bieten spezifische Optionen zur Verbesserung der Qualität thermoelektrischer Materialien. Darüber hinaus vermögen sie die Ausbildung gewünschter elektrischer und thermischer Materialeigenschaften in einem technologischen Schritt mit der endkonturnahen Formgebung für die prototypische Fertigung von thermoelektrischen Modulen zu vereinen.

Heißpressen als eine pulvermetallurgische Standardtechnologie zur Herstellung von Bauteilen und Halbzeugen, die sich als gut geeignet und kostengünstig für thermoelektrische Funktionsmaterialien erwiesen hat,

• erlaubt die Verarbeitung kommerzieller Ausgangspulver
• ist anwendbar über den gesamten Skalierungsbereich von der Laborpräparation bis hin zur industriellen Fertigung
• liefert mechanisch stabiles Material
• liefert Formstücke definierter Geometrie, die als Halbzeuge für die Fertigung thermoelektrischer Generatoren geeignet sind
• erlaubt die Herstellung von großvolumigen Blöcken hoher funktioneller Homogenität des thermoelektrischen Materials sowie
• die Herstellung segmentierter bzw. gradierter Strukturen durch Pressung von Pulverschichtungen.

Heißpressen ermöglicht eine definierte Steuerung elektrischer und thermischer Materialeigenschaften durch technologische Parameter (Presstemperatur und -druck, Pressdauer bzw. Temperatur-Zeit-Programm) sowie durch geeignete Zusätze und Pulvervorbehandlung. Die Steuerung der Materialeigenschaften wird durch die Mikrostruktur, insbesondere die Dichte der Kompakte, durch den Gehalt an elektrisch aktiven Dotierungen und inaktiven Zusätzen vermittelt, die die Ausbildung eines mikro- oder nanokristallinen Gefüges sowie spezielle Korngrenzeneigenschaften beeinflussen.
Im DLR werden zwei hydraulische uniaxiale Heißpressen zur Präparation thermoelektrischer Materialien eingesetzt, die Probendurchmesser bis 80 mm und Probendicken bis ca. 25 mm erlauben. Der Pressvorgang kann wahlweise in Graphit- oder Keramik-Matrizen unter Vakuum (bis 950 °C) oder Luft bzw. Inertgas (bis 1500 °C) durchgeführt werden. Eine automatische Steuerung erlaubt die Vorgabe von zeitprogrammierten Temperatur- und Druckregimes.

Basierend auf Studien zur Materialpräparation von dotiertem Eisendisilizid durch uniaxiales Heißpressen wurde am DLR eine Laborroute zur Präparation von Thermogenerator-Elementen durch heißgepresste gasverdüste Pulver entwickelt. Dotierte Eisendisilizid-Pulver (p-leitend z. B. durch Al-Dotierung, n-leitend durch Co-Dotierung) werden zu einem zweilagigen Pressling kompaktiert, der eine p-leitende und eine n-leitende Schicht enthält. Durch vertikale Trennschnitte werden pn-Blöcke erhalten, die durch einen Einschnitt zur Separation des p und n-Bereiches und metallische Kontaktierung zu brückenförmigen Thermogenerator-Elementen geformt werden.