Elektrokalorischer Effekt in bleifreien Relaxor-Kermiken und Kompositen

• Antragsteller: Professor Dr. Doru Constantin Lupascu; Professor Dr.-Ing. Jürgen Rödel, seit 1/2018
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 226912369

In diesem Antrag sollen zentral Bulk-Materialien mit maximalen elektrokalorischen Eigenschaften weiterentwickelt und auf ihre Eigenschaften hin untersucht werden. Dazu stehen jetzt zwei im Projekt entwickelte Apparaturen zur Verfügung, eine isotherme und eine adiabatische. Mit ihnen ist es möglich die thermischen Größen direkt zu bestimmen. Abweichungen zwischen wahren Werten und den aus elektrischen Größen berechneten liegen bei 50% und in manchen Systemen noch darüber.Die Materialsysteme für diesen Antrag sind die bleifreien Relaxoren. Sie bieten eine große Vielfalt an Entropiebeiträgen aus dem Relaxorzustand. Anders als für rein ferroelektrische Phasenübergänge sind die Entropieänderungen über einen großen Temperaturbereich vergleichbar groß, was für die Anwendung von entscheidender Bedeutung ist. Die gewählten Relaxorsysteme bieten ferner Phasenübergänge in der Nähe von Raumtemperatur, die zusätzliche Entropiebeiträge beisteuern können. Alle bei uns selbst entwickelten Systeme sind aus Umweltschutzgründen bleifrei. Die bleihaltigen Systeme aus anderen Arbeitsgruppen werden bei uns ebenso charakterisiert.Für maximale Effekte sind sehr hohe elektrische Feldstärkenänderungen nötig. Hierzu muss die elektrische Durchschlagsfestigkeit der Materialien optimiert werden. Zum Erreichen dieses Zieles soll in diesem Projekt eine optimale Verdichtung der Keramiken erzielt werden. Als zweiter Zugang werden Polymer-Keramik-Komposite hergestellt. Bei uns im Labor wurden hydrophobe Nano- und Mikropartikel auf Basis von BaTiO3 und den daraus abgeleiteten Relaxorsystemen entwickelt. Ausgehend von diesen Pulvern werden Komposite mit dem ferroelektrischen Polymer PVDF-TrFE hergestellt. Da dieses Polymer selbst sehr große elektrokalorische Koeffizienten zeigt, erwarten wir auch für die Komposite sehr große Werte. Durch die Nähe der Übergangstemperaturen erhoffen wir uns eine Maximierung des Koeffizienten und der Durchschlagsfestigkeit. Dünn- bzw. Dickschichttechniken zur Erhöhung der Feldstärken werden in anderen Projekten des Schwerpunktprogramms abgedeckt.Der enge Austausch mit den Theorieprojekten des Schwerpunktprogramms zu elektrokalorischen Werkstoffen soll zu einem tiefer greifenden Verständnis der mikroskopischen Beiträge zur Entropieänderung insbesondere in den Relaxoren führen, die derzeit die größten elektrokalorischen Effekte zeigen (pro Volt). Das Projekt versteht sich im Rahmen des Schwerpunktprogramms als zentrale Anlaufstelle für die Vermessung elektrokalorischer Eigenschaften für Bulk-Systeme. Ferner bieten wir Messmöglichkeiten zum thermischen Transport, sowie eine große Vielfalt an mikroskopischen (Piezokraftmikroskopie und verwandte Methoden) und elektrischen Charakterisierungstechniken. Für die Projekte innerhalb des SPP in Richtung konkreter Anwendungsgeometrien stellen wir unsere Bestwerkstoffe zur Verfügung.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1599: Kalorische Effekte in ferroischen Materialien: Neue Konzepte der Kühlung
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Vladimir V. Shvartsman
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Nikola Novak, bis 12/2017