DE202008006946U1 - Article having a coating of a clathrate compound - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft Gegenstände, die eine Beschichtung aus Clathratverbindungen aufweisen.The The present invention relates to articles comprising a coating from clathrate compounds.
STAND DER TECHNIKSTATE OF THE ART
Clathrat-
oder Käfigeinschlussverbindungen sind seit rund 200 Jahren
und ihre gezielte Herstellung seit etwa 60 Jahren bekannt. Die ersten
entdeckten Vertreter waren Gashydrate, d. h. Einschlüsse
von Gasmolekülen (z. B. Cl2) im
Eisgitter. Heutzutage sind besonders die seit den 1960er-Jahren
bekannten intermetallischen Clathrate Gegenstand umfangreicher Forschungen,
da diese unter anderem Anwendung in thermoelektrischen Modulen finden. Siehe
beispielsweise die
Zur Definition des Begriffs "Clathrat" sei angemerkt, dass darunter hierin vor allem solche Verbindungen gemeint sind, bei denen die käfigbildenden Atome ein raumfüllendes Netzwerk bilden, obwohl speziell im Englischen unter der Definition von "clathrate" mitunter alle Arten von Einschlussverbindungen ("inclusion compounds") verstanden werden.to Definition of the term "clathrate" should be noted below are meant above all those compounds in which the Caged atoms form a space-filling network form, although specifically in English under the definition of "clathrate" sometimes all kinds of inclusion compounds be understood.
Als
Komponenten intermetallischer Clathrate können verschiedenste
Kombinationen von Elementen fungieren. So offenbart etwa die
Die Herstellung derartiger Clathrate erfolgt üblicherweise durch Zusammenschmelzen der Elemente, nach deren Abkühlung unter den Schmelzbereich des Gemischs meist mehrere Phasen erhalten werden, die entweder noch gar nicht die gewünschten Clathratverbindungen oder zu geringe Anteile an der gewünschten festen Clathratphase in Kombination mit unerwünschten, störenden Fremdphasen umfassen. Zum Erhalt phasenreiner Clathratverbindungen ist daher eine anschließende Wärmebehandlung bei Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius, zumeist über einen Zeitraum von einigen Tagen oder sogar Wochen erforderlich, bis eine im Wesentlichen reine, feste Phase des gewünschten Clathrats vorliegt.The Production of such clathrates usually takes place by melting the elements, after cooling usually several phases are obtained below the melting range of the mixture, either not yet the desired clathrate compounds or too low levels of the desired solid clathrate phase in combination with unwanted, disturbing foreign phases include. To obtain phase-pure clathrate compounds is therefore a subsequent heat treatment at temperatures of several hundred degrees Celsius, mostly over a period of time required by a few days or even weeks, until essentially one pure, solid phase of the desired clathrate is present.
Eine
Variante dieser Verfahren umfasst Heiß-Formpressen ("hot
compression molding") oder Entladungsplasma-Sinterung von Pulvern
der Ausgangsmaterialien bei rund 700°C, wodurch das Herstellungsverfahren
beschleunigt kann (vgl. beispielsweise
Nichtsdestotrotz leiden alle bekannten Methoden neben dem Nachteil des zumeist sehr hohen zeitlichen Aufwands auch unter jenem des hohen Energiebedarfs zum Erreichen und Aufrechterhalten der erforderlichen Temperaturen von mehreren hundert Grad Celsius während der Wärmebehandlung.Nevertheless suffer all known methods in addition to the disadvantage of mostly very high expenditure of time also under that of the high energy requirement to achieve and maintain the required temperatures of several hundred degrees Celsius during the heat treatment.
Darüber hinaus liegen die so erhaltenen Clathratverbindungen üblicherweise in Form von Blöcken oder kompakten Massen vor und müssen für die spätere Verwendung aufwändig mechanisch bearbeitet werden. Dünne Schichten von Clathratverbindungen wurden zwar ebenfalls bereits hergestellt, allerdings sind dazu aufwändige Impulslaserablations- oder Helicon-Magnetron-Sputterverfahren erforderlich, und die Dicken der resultierenden Schichten liegen lediglich im Nanometer-Bereich.About that In addition, the clathrate compounds thus obtained are usually in the form of blocks or compact masses laborious for later use be mechanically processed. Thin layers of clathrate compounds were also already made, but are to elaborate pulsed laser ablation or helicon magnetron sputtering required, and the thicknesses of the resulting layers are only in the nanometer range.
Wünschenswert wäre daher ein Verfahren, durch das a) Clathratverbindungen in kurzer Zeit mit vergleichsweise geringem Energieaufwand in Schichtdicken im Mikrometerbereich herstellbar sind, b) die Clathrate direkt auf einem damit zu beschichtenden Werkstück oder Gegenstand erzeugt werden können, wodurch solche Gegenstände rasch und kostengünstig zu fertigen sind, und c) Clathrate in höherer Reinheit und mit besseren Eigenschaften herstellbar sind.Desirable would therefore be a process by which a) clathrate compounds in a short time with comparatively low energy consumption in layer thicknesses can be produced in the micrometer range, b) the clathrates directly on a workpiece or object to be coated therewith can be generated, creating such items be made quickly and inexpensively, and c) clathrates can be produced in higher purity and with better properties are.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNGDISCLOSURE OF THE INVENTION
Diese Ziele erreichen die Erfinder durch Bereitstellung von Gegenständen, die eine durch ein Abschreckverfahren hergestellte Beschichtung aus einer Clathratverbindung aufweisen. Die Gegenstände werden direkt durch ein Verfahren beschichtet, welches das Herstellen einer die gewünschten Elemente im gewünschten Verhältnis enthaltenden, homogenen Schmelze und das anschließende Verfestigen der Schmelze zur Clathratverbindung durch rasches Abkühlen, d. h. Abschrecken oder "Quenchen" der Schmelze auf einer Oberfläche eines Gegenstands umfasst.These objects are achieved by the inventors by providing articles having a quaternary coating of a clathrate compound. The articles are directly coated by a process which comprises preparing a homogeneous melt containing the desired elements in the desired ratio and subsequently solidifying the melt to the clathrate compound by ra cooling, ie quenching or "quenching" of the melt on a surface of an article.
In diametralem Gegensatz zum Stand der Technik, nach dem die erstarrte Schmelze über längere Zeit erhitzt ("getempert") werden muss, damit sich Phasen der gewünschten Käfigeinschlussverbindungen bilden können, und die erhaltenen Blöcke der Clathratphasen mittels weiterer, mehr oder weniger aufwändiger Verfahrensschritte auf Substrate aufgebracht werden müssen, haben die vorliegenden Erfinder festgestellt, dass sich gewünschte Clathratverbindungen auch bilden, wenn eine Schmelze der Komponenten abgeschreckt oder gequencht wird, was enorme Zeit-, Energie- und damit Kostenersparnisse bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Gegenstände bedeutet. Diese werden demnach bereits im Verlauf des Herstellungsverfahrens der Clathrate damit beschichtet und können unmittelbar ihrer weiteren Verwendung zugeführt werden.In diametrically opposed to the prior art, according to which the solidified Melt heated for a long time ("tempered") must be so that phases of the desired cage inclusion compounds and the resulting blocks of clathrate phases by means of further, more or less expensive process steps have to be applied to substrates, the present inventors found that desired clathrate compounds also form when a melt of the components quenched or is quenched, what enormous time, energy and thus cost savings in the production of the articles of the invention means. These are therefore already in the course of the manufacturing process The clathrates coated with it and can be immediate their further use are supplied.
Ohne sich auf eine bestimmte Theorie festlegen zu wollen, nehmen die Erfinder an, dass der Bildungsmechanismus der Clathrate beim Herstellungsverfahren darauf beruht, dass sich bei einer derartig raschen Abkühlung die feste, kristalline Phase der Matrix, also des "Käfigs", rascher ausbildet, als die Phasentrennung der noch nicht kristallisierten Einschlusskomponente(n) vonstatten geht, wodurch Atome der Letzteren in der festen Matrix eingefangen und eingeschlossen werden. Auf diese Weise sind zudem Clathrate mit sehr hoher Phasenreinheit, d. h. mit durch übliche Methoden, wie z. B. Röntgenpulverdiffraktometrie und Rasterelektronenmikroskopie, kaum detektierbaren Anteilen an Fremdphasen herstellbar. Gegebenenfalls im Transmissionselektronenmikroskop detektierbare Fremdphasen weisen typischerweise eine Submikronstruktur auf, d. h. sie liegen zwischen den Körnern oder Kristalliten der gewünschten Clathratphase als intergranulare Phase mit Dicken von 0,05 bis 0,1 μm vor, wohingegen nach dem Stand der Technik üblicherweise Verunreinigungen in Form von isometrischen Körnern mit 10 bis 100 μm Durchmesser anfallen. Dadurch werden die Einhaltung der gewünschten Atomverhältnisse und die Eigenschaften, wie z. B. die Thermokraft, des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Materials verbessert.Without to commit themselves to a certain theory, take the Inventors suggest that the formation mechanism of clathrates in the manufacturing process It is based on the fact that with such a rapid cooling the solid, crystalline phase of the matrix, ie the "cage", formed more rapidly than the phase separation of the uncrystallized inclusion component (s) The atoms of the latter are in the solid matrix be captured and trapped. That way, moreover Clathrates with very high phase purity, d. H. with by usual Methods, such. B. X-ray powder diffraction and scanning electron microscopy, barely detectable levels of foreign phases produced. Possibly Foreign phases detectable in the transmission electron microscope are typically a submicron structure, i. H. they lie between the grains or crystallites of the desired clathrate phase as intergranular Phase with thicknesses of 0.05 to 0.1 microns before, whereas after the The prior art usually impurities in the form of isometric grains 10 to 100 μm in diameter attack. This will ensure compliance with the desired Atomic ratios and properties, such. B. the thermoelectric power, of the produced by the process according to the invention Materials improved.
Falls gewünscht können solche geringfügige Verunreinigungen durch Fremdphasen auf herkömmliche Weise durch Wärmebehandlung, d. h. "Tempern", der mit den Clathraten beschichteten Gegenstände entfernt werden, wobei jedoch aufgrund des geringen Anteils und der Submikrostruktur der Verunreinigungen die Dauer der Wärmebehandlung gegenüber dem Stand der Technik deutlich verkürzt ist und bei erheblich niedrigeren Temperaturen getempert werden kann.If desired such minor impurities by foreign phases in a conventional manner by heat treatment, d. H. "Tempering" the objects clathrate coated be removed, but due to the low share and Submicrostructure of impurities Duration of heat treatment significantly shortened compared to the prior art is and annealed at significantly lower temperatures can.
Unter dem "gewünschten Verhältnis" ist nicht notwendigerweise eine exakte Stöchiometrie zu verstehen, da besonders gute Ergebnisse mitunter mit Clathraten aus Elementen in nichtstöchiometrischen, d. h. nicht ganzzahligen Anteilen erzielt werden.Under the "desired relationship" is not necessarily to understand an exact stoichiometry, as particularly good Results sometimes with clathrates of elements in non-stoichiometric, d. H. non-integer shares.
Die Gegenstände können prinzipiell Beschichtungen aus nahezu alle bekannte Clathratverbindungen aufweisen, d. h. sowohl aus Clathraten auf Basis organischer Verbindungen als auch anorganischer Verbindungen, wie z. B. intermetallischer Clathrate. Im Falle organischer Verbindungen sind zuvor mit "Elementen" zur Herstellung der Schmelze die jeweiligen "Moleküle" zur Ausbildung der Gitter- bzw. Einschlusskomponenten gemeint. In diesem Zusammenhang ist weiters festzustellen, dass unter "intermetallisch" je nach Kontext und Sprache neben den klassischen Metallelementen auch Halbleiter und gelegentlich auch Kohlenstoff subsummiert werden, wobei dieser Begriff hierin in seiner breitesten Auslegung zu verstehen ist. Vorzugsweise sind die Gegenstände mit solchen intermetallischen Clathraten beschichtet, da in diesem Fall der Zeit- und der Kostenfaktor besonders stark ins Gewicht fallen.The In principle, objects can be coatings have almost all known clathrate compounds, d. H. either from clathrates based on organic compounds as well as inorganic Compounds, such. B. intermetallic clathrates. In the case of organic Compounds are previously with "elements" for the production of the melt respective "molecules" to form the lattice or inclusion components meant. In this context, it should further be noted that under "intermetallic" depending on the context and language in addition to the classic Metal elements also semiconductors and occasionally carbon be subsumed, this term being used herein in its broadest interpretation to understand. Preferably, the objects are with coated such intermetallic clathrates, since in this case the time and cost factor are particularly significant.
Die Auswahl der Matrix- und Einschlusskomponenten ist nicht speziell eingeschränkt. Bevorzugt sind allerdings ein oder mehrere aus Si, Ge, Sn, Pb, Al, Ga, In und Übergangselementen ausgewählte Elemente als Matrix- oder Käfigkomponenten, sowie ein oder mehrere aus Alkalimetallen, Erdalkalimetallen, Übergangselementen, einschließlich Lanthanoiden und Actinoiden, noch bevorzugter aus Erdalkalimetallen und Lanthanoiden und mitunter auch Actinoiden, ausgewählte Elemente als Einschlusskomponenten, da diese Elemente gegenwärtig bevorzugt zur Herstellung von Clathraten für thermoelektrische und Halbleiter-Anwendungen eingesetzt werden.The Selection of the matrix and inclusion components is not specific limited. However, one or more are preferred elements selected from Si, Ge, Sn, Pb, Al, Ga, In and transition elements as matrix or cage components, as well as one or more of alkali metals, alkaline earth metals, transition elements, including lanthanides and actinides, more preferably from alkaline earth metals and lanthanides and sometimes also actinides, selected elements as inclusion components, as these Elements currently preferred for the preparation of clathrates used for thermoelectric and semiconductor applications become.
Bei geeigneter Auswahl der Komponenten ist durch die Erfindung ein zusätzlicher Vorteil erzielbar, nämlich die vergleichweise einfache Lösung für ein hochaktuelles und nach dem Stand der Technik nicht zufrieden stellend gelöstes Problem: die Erhöhung der Thermokraft der Clathrate durch Einbringen von f-Elementen, d. h. Lanthanoiden oder (weniger bevorzugten) Actinoiden, in die Käfige von Clathratstrukturen.at suitable selection of the components is an additional by the invention Advantage achievable, namely the comparatively simple Solution for a highly topical and state of the art the technique unsatisfactorily solved problem: increasing the thermo-power of clathrates by introducing f-elements, d. H. Lanthanides or (less preferred) actinides, into the cages of clathrate structures.
Während sich die Clathratphase bildet, werden nach dem Stand der Technik die im Käfig einzulagernden Atome des f-Elements aus der Clathratstruktur verdrängt, was als Segregation bezeichnet wird, weil sich neben den Clathratphasen andere, thermodynamisch stabilere Phasen mit dem f-Element bilden können. Durch das neue Herstellungsverfahren können aufgrund des raschen Abschreckens metastabile kristalline Phasen mit f-Elementen als Einschlussatome hergestellt werden. Letztere haben dadurch, dass sie im Käfig eingefangen und dadurch innerhalb der Clathratphase sozusagen "eingefroren" werden, nicht die Möglichkeit zur Segregation.While the clathrate phase is formed, according to the state of the art, the atoms of the f element to be stored in the cage are displaced from the clathrate structure, which is called segregation, because in addition to the clathrate phases, other thermodynamically more stable phases can form with the f element. As a result of the rapid quenching, the novel production process makes it possible to produce metastable crystalline phases with f-elements as inclusion atoms. The latter have because they caught in the cage and there are "frozen" within the clathrate phase, so to speak, not the possibility of segregation.
Da die Wärmeleitfähigkeit zahlreicher Clathrate deutlich niedriger ist als jene von reinen Metallen, werden im neuen Herstellungsverfahren vorzugsweise dünne Schichten oder Tröpfchen der Schmelze mit einer Dicke bzw. einem Durchmesser von unter 300 μm, vorzugsweise unter 100 μm, abgeschreckt, um so deren Abkühlgeschwindigkeit zu erhöhen. Die sich beim raschen Abkühlen bildende, feste Clathratverbindung fällt dabei außerdem direkt als Dünnfilm bzw. als Granulat auf dem erfindungsgemäßen Gegenstand an, wodurch einige spätere Bearbeitungsschritte entfallen können, die nach dem Stand der Technik, wo zumeist Blöcke der Clathrate erhalten werden, zwingend erforderlich sind. Die nach dem neuen Herstellungsverfahren erhaltenen Clathratverbindungen können freilich auf Wunsch mittels bekannter Methoden, z. B. Heißpressen oder Spark Plasma Sintering, ebenfalls zu Blöcken kompaktiert werden.There the thermal conductivity of many clathrates clearly is lower than that of pure metals, in the new manufacturing process preferably thin layers or droplets of the melt with a thickness or a diameter of less than 300 μm, preferably below 100 microns, quenched, so as to their cooling rate to increase. The forming during rapid cooling, solid Clathrate connection also falls directly as Thin film or granules on the inventive Subject, resulting in some later processing steps can be omitted, according to the state of the art, where mostly Blocks of clathrate are obtained, mandatory are. The clathrate compounds obtained by the new preparation method Of course, if desired by known methods, for. As hot pressing or spark plasma sintering, also to Blocks are compacted.
Wie oben zum Mechanismus der Clathratbildung erläutert wurde, liegt der Kern der Erfindung im sehr raschen Abkühlen oder Abschrecken der Schmelze auf dem gewünschten Gegenstand. Die erforderliche Abkühlrate hängt zwar von den Komponenten der jeweiligen Clathratverbindung ab und ist nicht speziell eingeschränkt, solange ein gewünschtes Clathrat erhalten wird. Die Erfinder haben jedoch festgestellt, dass besonders gute Ergebnisse in Bezug auf die Phasenreinheit mit Kühlraten von zumindest 103 K/s, vorzugsweise zumindest 105 K/s, erzielbar sind.As discussed above for the mechanism of clathrate formation, the gist of the invention resides in the very rapid cooling or quenching of the melt on the desired article. Although the required cooling rate depends on the components of the respective clathrate compound, it is not particularly limited as long as a desired clathrate is obtained. However, the inventors have found that particularly good results with respect to the phase purity with cooling rates of at least 10 3 K / s, preferably at least 10 5 K / s, can be achieved.
Die Art der raschen Abkühlung der Schmelze ist nicht speziell eingeschränkt und diese kann durch Einbringen derselben in ein Kühlmittel, in dem der Gegenstand vorliegt, erfolgen. Dabei kann die Schmelze beispielsweise durch eine Düse, z. B. unter Verwendung eines Inertgases als Träger, in ein Kühlgas oder in eine Kühlflüssigkeit, das/die den Gegenstand umgibt, eingespritzt und dabei gleichzeitig zu feinen Tröpfchen zerstäubt werden, die sich auf der Oberfläche des Gegenstands ablagern. Alternativ dazu kann die Schmelze in eine, gegebenenfalls beheizte, den Gegenstand enthaltende Form gefüllt oder direkt darin aus Pulvern der Ausgangskomponenten erzeugt werden, wonach die Form in das Kühlmittel eingebracht, z. B. eingetaucht wird. Als Kühlmittel können beispielsweise Stickstoff, Edelgase oder andere, unter den Verfahrensbedingungen zu keinen Reaktionen mit den Clathratbestandteilen fähige Gase oder Flüssigkeiten, z. B. verflüssigte Inertgase, eingesetzt werden.The Type of rapid cooling of the melt is not special restricted and this can be done by introducing the same into a coolant in which the object is present, take place. In this case, the melt, for example, through a nozzle, z. B. using an inert gas as a carrier, in a cooling gas or a cooling liquid, the / which surrounds the object injected and at the same time to fine droplets are atomized on the Deposit the surface of the object. Alternatively, it can the melt into an optionally heated, the object containing Mold filled or directly in it from powders of the starting components are generated, after which the mold is introduced into the coolant, z. B. is immersed. As a coolant can For example, nitrogen, noble gases or others, under the process conditions too no reactions with the clathrate components capable Gases or liquids, eg. B. liquefied inert gases, be used.
Das Kühlmittel kann – vor allem, wenn ein großes Volumen davon für die Kühlung zur Verfügung steht und es während des Abkühlvorgangs zur besseren Wärmeverteilung optional durchmischt wird – Raumtemperatur aufweisen, vorzugsweise wird das Kühlmittel jedoch zur Erhöhung der Abkühlungsgeschwindigkeit auf eine Temperatur von < 5°C (vor)gekühlt.The Coolant can - especially if a big one Volume of which is available for cooling stands and it during the cooling process for the better Heat distribution is optionally mixed - room temperature However, preferably, the coolant is the Increasing the cooling rate to one Temperature of <5 ° C (before) cooled.
Vorzugsweise erfolgt das rasche Abkühlen der Schmelze einfach durch Verteilen derselben auf einer Oberfläche des Gegenstands, die somit gleichsam als festes Kühlmittel dient, auf dem sich die Schmelze zur gewünschten Clathratverbindung verfestigt. Die Oberfläche des Gegenstands besteht vorzugsweise aus einem Material mit hohem Wärmeleitvermögen, wie z. B. Kupfer oder Silber, ist aber nicht darauf beschränkt. Analog zur Abkühlung in flüssigen oder gasförmigen Kühlmitteln wird die Gegenstandsoberfläche vor dem und/oder während des Verteilen(s) der Schmelze darauf gekühlt, besonders bevorzugt wiederum auf eine Temperatur von < 5°C. Die Kühlung der Oberfläche kann auf beliebige Weise erfolgen, etwa durch Aufblasen oder Aufspritzen eines Hilfskühlmittels, z. B. eines – gegebenenfalls verflüssigten – Inertgases, oder durch eine mit der Oberfläche wärmeleitend verbundene Kühlvorrichtung wie etwa einen Kühlmantel oder dergleichen.Preferably the rapid cooling of the melt takes place simply Distributing them on a surface of the object, which thus serves as a solid coolant, on the the melt solidifies to the desired clathrate compound. The surface of the article is preferably made a material with high thermal conductivity, such as z. Copper or silver, but is not limited thereto. Analogous to cooling in liquid or gaseous form Coolants, the object surface before on and / or during the distribution (s) of the melt on it cooled, more preferably again to a temperature of <5 ° C. The Cooling the surface can be done in any way carried out, for example by inflating or spraying an auxiliary coolant, z. B. a - possibly liquefied - inert gas, or by one with the surface heat-conducting connected cooling device such as a cooling jacket or similar.
Vorzugsweise wird die Schmelze durch eine Düse auf die Oberfläche aufgespritzt und fein darauf verteilt, was wiederum die Abkühlrate erhöht. Zu demselben Zweck der feinen Verteilung können die Oberfläche, d. h. der Gegenstand, und die Düse während des Aufbringens der Schmelze relativ zueinander bewegt werden, womit sowohl Bewegungen nur eines von beiden als auch von beiden gleichzeitig umfasst sind.Preferably The melt passes through a nozzle on the surface sprayed and finely distributed on it, which in turn reduces the cooling rate elevated. For the same purpose of fine distribution can the surface, d. H. the object, and the nozzle during the application of the melt relative to each other be moved, bringing both movements only one of both are also included by both at the same time.
Die Art der Bewegung ist nicht speziell eingeschränkt. Vorzugsweise wird die Oberfläche jedoch in einem definierten Abstand zur Düse rotiert, wodurch die Erfindung unter Einsatz von Schmelzspinn-Methoden und -Vorrichtungen ("melt spinning") ausgeführt werden kann. Diese Technik wird üblicherweise zur Herstellung von amorphen und nanokristallinen intermetallischen oder keramischen Materialien sowie von Polymerfasern eingesetzt, ist demnach gut bekannt und mit geringfügigen Adaptationen einfach an die Erfordernisse des neuen Herstellungsverfahrens anpassbar. Schmelzspinnen vereint einige der hierin, zuvor und nachstehend erläuterten, bevorzugten Merkmale des neuen Herstellungsverfahrens; unter anderem sind auf diese Weise Kühlraten von 105 bis 107 K/s erzielbar.The type of movement is not specifically limited. Preferably, however, the surface is rotated at a defined distance from the nozzle, whereby the invention can be carried out using melt-spinning methods and devices. This technique is commonly used to make amorphous and nanocrystalline intermetallic or ceramic materials as well as polymer fibers, so it is well known and easily adaptable to the requirements of the new manufacturing process with minor adaptations. Melt spinning combines some of the preferred features of the new manufacturing process discussed hereinbefore and hereinafter; Among other things, cooling rates of 10 5 to 10 7 K / s can be achieved in this way.
Die Rotation des Gegenstands erfolgt vorzugsweise mit Umdrehungszahlen von zumindest 1.300 U/min, was zum einen eine besonders gute Verteilung der Schmelze auf der rotierenden Oberfläche gewährleistet und zum anderen übliche Umdrehungszahlen beim Schmelzspinnen darstellt, für welche die entsprechenden existierenden Vorrichtungen ausgelegt sind.The rotation of the article is preferably carried out with rotational speeds of at least 1300 U / min, which on the one hand ensures a particularly good distribution of the melt on the rotating surface and on the other hand, the usual rotational speeds in melt spinning represents wel the corresponding existing devices are designed.
Alternativ oder zusätzlich zur Rotationsbewegung der Oberfläche kann die Düse während des Aufspritzens der Schmelze, z. B. motorgetrieben, über die Oberfläche hinweg geführt werden, wodurch in kurzer Zeit ebenfalls eine größere Oberfläche für die Kühlung zur Verfügung steht.alternative or in addition to the rotational movement of the surface the nozzle during the injection of the melt, z. B. motor driven, across the surface be led, which in a short time also a larger Surface for cooling available stands.
Alternativ dazu kann die Schmelze vor dem Abkühlen in elektromagnetischer Schwebe gehalten und durch Aufheben des Schwebezustands auf die gegebenenfalls in einem Kühlmittel, vorzugsweise -gas, vorliegende Oberfläche des Gegenstands fallen gelassen werden, wodurch sie wiederum auf der Oberfläche verteilt und dabei abgekühlt wird. Die Schmelze kann in diesem Fall beispielsweise auch bereits nach einem bekannten Schwebeschmelzverfahren, z. B. durch Induktionserhitzen, hergestellt werden. Zur weiteren Verbesserung der Verteilung und somit der Kühlung wird die Schmelze bei Aufhebung des Schwebezustands vorzugsweise zwischen zwei Oberflächen, d. h. einer Oberfläche des Gegenstands und z. B. einer Druckplatte, flachgepresst, die beide erneut optional gekühlt werden können.alternative For this purpose, the melt before cooling in electromagnetic Suspended and lifted by suspending the state of suspension in a coolant, preferably gas, surface present of the subject to be dropped, causing them to turn on the surface is distributed and thereby cooled. The melt can in this case, for example, already after a known Schweießmelzverfahren, z. B. by induction heating, getting produced. To further improve the distribution and Thus, the cooling will melt when lifting the limbo preferably between two surfaces, d. H. a surface of the object and z. B. a pressure plate, pressed flat, both can be optionally cooled again.
Wie den obigen Ausführungen zu entnehmen ist, wird das Ziel der besonders raschen Abkühlung, d. h. Abschreckung der Clathratvorläufer-Schmelze vorwiegend dadurch erreicht, dass diese auf dem Gegenstand möglichst fein verteilt wird. Dies kann wie erwähnt auf unterschiedliche Arten erzielt werden, wobei diese auch miteinander kombinierbar sind. Bei der Verteilung der Schmelze auf einer Oberfläche kann diese von einem Kühlgas umgeben sein und/oder zur Gänze oder, vorzugsweise, nur zum Teil in eine Kühlflüssigkeit eintauchen und gegebenenfalls zusätzlich dazu relativ zu einer die Schmelze aufspritzenden Düse bewegt werden.As As can be seen from the above, the goal becomes particularly rapid cooling, d. H. Deterrence of Clathrate precursor melt predominantly achieved by that this is distributed as finely as possible on the object. This can be achieved in different ways as mentioned, these can also be combined with each other. In the distribution The melt on a surface can do this by one Be surrounded by cooling gas and / or in its entirety or, preferably, only partially immersed in a cooling liquid and optionally in addition to one of the melt spraying nozzle to be moved.
Durch das direkte Aufspritzen der Schmelze eine Oberfläche des mit der Clathratverbindung zu beschichtenden Gegenstands wird die Produktionseffizienz bei der Herstellung solcher Gegenstände enorm verbessert. Die Gegenstände oder "Substrate" für derartige Direktbeschichtungen mit Clathratverbindungen sind nicht speziell eingeschränkt. So können unter anderem Halbleiter-Wafer oder auch thermoelektrische oder elektrothermische Bauteile wie etwa thermoelektrische Generatoren zur Umwandlung von Abwärme in elektrische Energie, wie z. B. Bleche für Auspuffrohre oder Schornsteinauskleidungen, sowie Peltier-Elemente zur aktiven Kühlung auf weitaus ökonomischere Weise gefertigt werden, als dies bisher möglich war, zumal die Gegenstände, auf welche die Clathratvorläufer-Schmelze vorzugsweise aufgespritzt wird, nahezu beliebige Form aufweisen können.By the direct spraying of the melt a surface of the The article to be coated with the clathrate compound becomes Production efficiency in the production of such items enormous improved. The objects or "substrates" for such direct coatings with clathrate compounds are not specially restricted. So, among others Semiconductor wafer or thermoelectric or electrothermal Components such as thermoelectric generators for the conversion of Waste heat into electrical energy, such. B. sheets for Exhaust pipes or chimney linings, as well as Peltier elements for active cooling to much more economical Be made way, as was previously possible, especially the objects to which the clathrate precursor melt is preferably sprayed on, have almost any shape can.
Die Oberfläche des so mit einer Clathratverbindung zu beschichtenden Gegenstands kann zur Verbesserung der Haftung der Clathratschicht vorbehandelt werden, womit sowohl Oberflächenstrukturierungen, z. B. Aufrauen und dergleichen, als auch das Aufbringen einer Haftschicht oder -grundierung umfasst sind. Letztere ist vorzugsweise ebenfalls aus einem gut wärmeleitenden Material und kann beispielsweise aus einer dünnen Schicht, z. B. 10 bis 200 μm, eines leichtschmelzenden Metalls, wie z. B. Ga oder Sn, bestehen, das bei Kontakt mit der heißen Schmelze oberflächlich anschmilzt, wodurch die Haftschicht und die Clathratschicht fest miteinander verbunden werden.The Surface of the so to be coated with a clathrate compound Item may improve the adhesion of the clathrate layer be pretreated, whereby both surface structuring, z. As roughening and the like, as well as the application of an adhesive layer or primer are included. The latter is preferably also from a good heat-conducting material and can, for example from a thin layer, e.g. B. 10 to 200 microns, a melted metal, such as. Ga or Sn, this is superficial on contact with the hot melt melts, causing the adhesive layer and clathrate layer to solidify be connected to each other.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
BEISPIELEEXAMPLES
Nachstehend wird die Erfindung anhand konkreter Ausführungsbeispiele beschrieben, die lediglich der Illustration dienen und nicht als Einschränkung zu verstehen sind.below The invention is based on specific embodiments described, which serve only for illustration and not as Limitation are to be understood.
Beispiel 1example 1
Allgemeine VorgangsweiseGeneral procedure
Es wurden einige, nachstehend angeführte intermetallische Clathratverbindungen unter Verwendung einer Schmelzspinnvorrichtung auf folgende Weise hergestellt. Zunächst wurden Pulvergemische der gewünschten Elemente in den gewünschten Verhältnissen mit einem Gesamtgewicht von jeweils zumindest 1 g in einer wassergekühlten Kupferrinne mittels Hochfrequenzheizung aufgeschmolzen, in mit Kohlenstoff beschichtete Quarzampullen übertragen, zur Homogenisierung mehrere Stunden lang im flüssigen Zustand gehalten und erstarren gelassen.It were some intermetallic below Clathrate compounds using a melt spinning device made in the following way. First, powder mixtures were the desired elements in the desired ratios with a total weight of at least 1 g each in a water-cooled Copper trough melted by high frequency heating, in carbon transferred coated quartz ampoules, for homogenization kept in the liquid state for several hours and stiffened.
Anschließend wurde das Material in vertikalen, konischen Quarzröhrchen, mit einem als Düse dienenden unteren Öffnungsschlitz mit den Dimensionen 0,3–0,5 mm × 2–5 mm und einer oberen Einfüllöffnung mit 10 bis 20 mm Durchmesser induktiv geschmolzen, wobei die Schmelze aufgrund der Kapillarkräfte im Quarzröhrchen verblieb. Das Quarzröhrchen wurde in einer Schmelzspinnvorrichtung in einem Abstand von 0,3 mm oberhalb der Lauffläche eines Kupferrads mit 30 cm Durchmesser und 8 cm Breite angeordnet und das Rad anschließend mit einer Geschwindigkeit von 1.300 U/min rotiert. Die obere Öffnung des Röhrchens wurde mit einer Argonflasche verbunden und die Schmelze mittels Argonüberdruck durch die Düse auf das rotierende Kupferrad aufgespritzt. Das auf dem Rad erstarrte Material fiel in Form von 20 bis 50 μm dicken Lamellen mit einer Fläche von bis zu 4 × 20 mm an. Das Kupferrad wies vor dem Aufspritzen der Schmelze Raumtemperatur auf, und aufgrund des großen Massenunterschieds zwischen Rad und Schmelze änderte sich die Temperatur des Rades während des Spitzvorgangs kaum. Trotz der enormen Abkühlungsgeschwindigkeiten wiesen sämtliche hergestellte Proben eine gut ausgeprägte Kristallstruktur ohne feststellbare Anteile amorpher Phasen auf.The material was then inductively melted in vertical conical quartz tubes with a 0.3-0.5 mm x 2-5 mm orifice and a 10 to 20 mm diameter upper orifice slit serving as a nozzle, the melt due to the capillary forces remained in the quartz tube. The quartz tube was placed in a melt spinning apparatus at a distance of 0.3 mm above the tread of a copper wheel 30 cm in diameter and 8 cm in width, and then the wheel was rotated at a speed of 1,300 rpm. The above The opening of the tube was connected to an argon bottle and the melt was injected by means of argon overpressure through the nozzle onto the rotating copper wheel. The solidified on the wheel material was in the form of 20 to 50 microns thick slats with an area of up to 4 × 20 mm. The copper wheel had room temperature before the melt was sprayed, and due to the large mass difference between the wheel and the melt, the temperature of the wheel barely changed during the sharpening process. Despite the enormous cooling rates, all samples prepared had a well-defined crystal structure with no detectable levels of amorphous phases.
Folgende
intermetallische Clathratverbindungen wurden mittels der obigen
Schmelzspinntechnik hergestellt, wobei die unterstrichenen Elemente
die im Kristallgitter der übrigen Elemente eingeschlossenen
Atome bilden:
Eu 8Ga16Ge30, Sr 8Ga16Ge30, Ba 8Ga16Ge30, Ba 8Pd4Ge42, Ba 8Ni4Ge42, Ba 8Au6Si40, Ba 8Au6Ge40, Ba 8Cu6Si40, Ba 8Ga16Sn30, Eu 2 Ba 6Ga16Ge30 und Eu 4 Sr 4Ga16Ge30.The following intermetallic clathrate compounds were prepared by the above melt spinning technique, the underlined elements forming the atoms included in the crystal lattice of the other elements:
Eu 8 Ga 16 Ge 30 , Sr 8 Ga 16 Ge 30 , Ba 8 Ga 16 Ge 30 , Ba 8 Pd 4 Ge 42 , Ba 8 Ni 4 Ge 42 , Ba 8 Au 6 Si 40 , Ba 8 Au 6 Ge 40 , Ba 8 Cu 6 Si 40 , Ba 8 Ga 16 Sn 30 , Eu 2 Ba 6 Ga 16 Ge 30 and Eu 4 Sr 4 Ga 16 Ge 30 .
Die
Phasenreinheit der erhaltenen dünnen Schichten der gewünschten
Clathratverbindungen wurde mittels Röntgenpulverdiffraktometrie überprüft,
wobei keine Fremdphasen feststellbar waren, zumal die Messdaten
mit simulierten Diffraktogrammen in Lage und Intensität
jeweils vollkommen übereinstimmten. Das heißt,
der Anteil an Verunreinigungen, sofern vorhanden, lag jedenfalls
unter der Nachweisgrenze des Detektionsverfahrens (3%).
Somit wurden 11 verschiedene, mit Clathratverbindungen beschichtete Kupferräder erhalten.Consequently were 11 different copper wheels coated with clathrate compounds receive.
Beispiel 2Example 2
Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei jedoch ein dünnes Kupferblech mit 5 cm Breite um den Umfang des Rades gespannt war und gleichzeitig mit dem Aufspritzen der Schmelze durch eine zweite Düse Stickstoffgas mit einer Temperatur von etwa –180 bis –170°C auf das Blech aufgeblasen wurde. Zur Verbesserung der Haftung der Clathratschicht auf dem Blech wurde dieses durch Schmelzspinnen mit einer dünnen Haftschicht aus Sn mit einer Dicke von etwa 50 μm vorbeschichtet.example 1 was repeated but with a thin copper sheet with 5 cm width was stretched around the circumference of the wheel and at the same time with the spraying of the melt through a second nozzle Nitrogen gas at a temperature of about -180 to -170 ° C. was inflated on the sheet. To improve the liability of Clathrate layer on the sheet was this by melt spinning with a thin adhesive layer of Sn with a thickness of about 50 μm precoated.
Anschließend
wurde das Rad wie in Beispiel 1 mit 1.300 U/min rotiert und eine
Schmelze auf das Blech aufgespritzt und rasch angekühlt,
wodurch eine Schicht aus
Sr8Ga16Ge30 auf dem Kupferblech
ausgebildet wurde. Eine Probe der Clathratschicht wies im Röntgenpulverdiffraktogramm
erneut keinerlei Fremdphasen auf.Subsequently, the wheel was rotated at 1,300 rpm as in Example 1, and a melt was sprayed onto the plate and rapidly cooled, whereby a layer of
Sr 8 Ga 16 Ge 30 was formed on the copper sheet. A sample of the clathrate layer again showed no foreign phases in the X-ray powder diffractogram.
Das so erhaltene, mit der Clathratverbindung beschichtete Kupferblech wurde vom Rad abgenommen und flachgewalzt und ist zur Herstellung verschiedenster Arten thermoelektrischer Module bestens geeignet.The thus obtained copper plate coated with the clathrate compound was removed from the wheel and rolled flat and is for manufacturing various types of thermoelectric modules ideally suited.
Die obigen Beispiele belegen eindeutig, dass das neue Herstellungsverfahren unter Abschrecken von Vorläuferschmelzen erstmalig direkt zu Gegenständen führt, welche mit Clathratverbindungen beschichtet sind, die in ausgezeichneter Phasenreinheit in Form von dünnen Schichten mit Dicken im Mikrometerbereich erhalten werden.The The above examples clearly show that the new manufacturing process quenching precursor melts for the first time directly leads to objects, which with clathrate compounds coated in excellent form in the phase purity obtained from thin layers with thicknesses in the micrometer range become.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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