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Projekt
Entwicklung keramischer Perowskitwerkstoffe und Bauelementstrukturen für elektrokalorische Anwendungen
Antragstellerin
Dr.-Ing. Sylvia Gebhardt
Fachliche Zuordnung
Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe
Förderung
Förderung von 2012 bis 2019
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 226707148
Das Projekt ist Teil des thematischen Schwerpunktes des SPP 1599, der sich mit der Erschließung elektrokalorischer Materialien für ferroische Kühlsysteme beschäftigt. Besonderes Augenmerk liegt auf der Implementierung ferroelektrischer Werkstoffe in zukünftig anwendbare Bauelementstrukturen durch Anwendung keramischer Technologien. Es werden zwei unterschiedliche perowskitische Komplexverbindungen betrachtet: erstens PMN-PT und zweitens BaTiO3. Bei beiden Systemen ist aus der Literatur bekannt, dass sie elektrokalorisch wirksam sind. Modifikationen der chemischen Zusammensetzung, die aus spezifischen technologischen Anforderungen und der Optimierung der Kennwerte resultieren, sind Gegenstand eigener Forschung. Um die Betriebsspannung zu begrenzen, ist eine reduzierte Dicke des Kühlelements erforderlich. Als komplimentären Ansatz zu Dünnschichtlösungen, werden im vorliegenden Projekt keramische pulvertechnologische Verfahren genutzt, die den Aufbau von Kühlelementen mit großem Kühlvolumen ermöglichen. Um Schichtdicken der elektrokalorischen (EC) Elemente von 5-50 µm zu erzielen, soll der Aufbau über Mehrlagentechnologie erfolgen. Dabei wird die Abhängigkeit der dielektrischen, ferroelektrischen und elektrokalorischen Eigenschaften vom Mehrlagenaufbau (Größe, Dicke und Anzahl der Lagen; Material und Dicke der Innenelektroden) untersucht. Die Bauteilentwicklung wird durch eine produktive und hierarchisch strukturierte Untersuchungsmethodik zur Ermittlung der dielektrischen und ferroelektrischen Eigenschaften begleitet. Außerdem ist der Aufbau einer geeigneten Charakterisierungsmethode zur direkten Messung des EC-Effekts an großflächigen (< 500 mm2) Mehrlagenstrukturen vorgesehen. Der Austausch von Testproben und der Vergleich der Messergebnisse tragen zur Entwicklung genereller Empfehlungen für die zuverlässige Charakterisierung elektrokalorischer Werkstoffe durch das Konsortium des SPPs bei. Im Hinblick auf die Entwicklung elektrokalorischer Kühlsysteme, die innerhalb des Konsortiums erfolgt, werden Experimente zur Wärmefreisetzung und Wärmeabsorption in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der Spannungssignale durchgeführt und mit Daten aus einer gekoppelten elektrischen und thermischen Simulation verglichen. Kinetische Ansätze zur Signalsteuerung werden geprüft, um zu sehen, ob diese für die Auslegung vereinfachter Kühlelemente genutzt werden können, die ohne mechanische Schalter auskommen. Geeignete Anwendungsfelder werden identifiziert. In Kooperation mit Projektpartnern des Konsortiums werden EC-Kühlelemente in Form von keramischen Mehrlagenstrukturen in Kühlsysteme eingebaut. Aus diesem Grund werden Untersuchungen zur Steigerung des elektrokalorischen Effekts sowie zur Stabilität unter Antriebsbedingungen in experimentellen Studien durchgeführt. Werkstoffe, Design der Mehrlagenstrukturen sowie Betriebsbedingungen werden angepasst um eine größtmögliche Kühlwirkung zu erzielen.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
