Neue nanolaminare Schichtmaterialien für
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AU UN NH HO OFFEERR -IIN NSSTTIITTU UTTE FFÜORRWMEERCKHSA TO E CF HM AAT NIK FFRRA N IFCFSM O E RIIW A LMS I W M Neue nanolaminare Schichtmaterialien für korrosionsstabile Festkörperoxid-Brennstoffzellen (SOFC), »LamiMat« L. Gröner1, F. Colonna2,1, F. Burmeister1, C. Elsässer2,1 für Werkstoffmechanik IWM, Wöhlerstraße 11, 79108 Freiburg 2Freiburger Materialforschungszentrum, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, Stefan-Meier-Str. 21, 79104 Freiburg 1Fraunhofer-Institut [email protected] Motivation Aufgabenstellung Nachhaltige Energieerzeugung mit FestkörperoxidBrennstoffzellen (SOFC) Theoretische ab initio Vorhersage von Materialeigenschaften • Hocheffiziente Technologie zur Umwandlung von chemischer in elektrischer Energie (+) • Adhäsionseigenschaften von MAX-Phasen auf ferritischem Stahl • Möglichkeit zur Verwendung von Methan als Brennstoff (+) • Synthese von MAX-Phasen (Abscheidung und nachträgliches Tempern) • Diffusionseigenschaften von H, O, Cr in MAX-Phasen Experimentelle Synthese und Charakterisierung: • Abscheidung aus reaktivem Sputterprozess • Brennstoffe und Reaktionsprodukte sind ökologisch unbedenklich (+) • Abscheidung von Multilagen und deren Umwandlung in MAX-Phasen • Charakterisierung des Schichtgefüges und der Kristallstruktur mittels XRD und Raman-Spektroskopie • Hohe Betriebstemperaturen (500-1100°C) machen teure Katalysatoren überflüssig (+) • Kostengünstige metallische Interkonnektoren haben ungenügende Korrosionsbeständigkeit Æ geringe Marktdurchdringung (-) Ergebnisse Ab initio Simulationen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie Problemstellung Starke Korrosion der metallischen Interkonnektoren in aggressiven Atmosphären führt zur Chromvergiftung der Kathode und verkürzt dadurch die Lebensdauer der SOFC. Anforderungen an Materialien für Interkonnektoren bzw. Schutzschichten : • Gute Hitze- und Korrosionsbeständigkeit • Strukturoptimierung von 211 MAXPhasen • Berechnung von Bildungsenergien auf Zwischengitterplätzen und Diffusionsbarrieren für H in Ti2AlN-MAXPhasen • Diffusionsbarriere für Cr, O und H • Gute elektrische Leitfähigkeit TETRA-up • Passender thermischer Ausdehnungskoeffizient TETRA-down Synthese von Ti2AlN: Lösungsansatz • Beschichtung über Multilagenabscheidung durch reaktives Sputtern auf Al2O3-Keramik PVD-Beschichtung der Interkonnektoren mit MAX-PhasenMaterialien MAX-Phasen sind nanolaminare Schichtmaterialien mit keramischen und metallischen Komponenten. Dadurch können eine hohe Temperaturstabilität als auch metallische Eigenschaften wie mechanische Verformbarkeit und elektrische Leitfähigkeit erreicht werden [1]. [2] [1] P. Eklund et al.: The Mn+1AXn phases: Materials science and thin-film processing (2010), Thin Solid Films, 518 [2] M. W. Barsoum, T. El-Raghy: The MAX Phases: Unique New Carbide and Nitride Materials (2001), American Scientist, 89 [3] S. Ayral et al.: A genomic approach to the stability, elastic, and electronic properties of MAX phases (2014), • Auslagern im Vakuumofen bei 700°C und 800°C für 1h • XRD- und Ramanspektren zeigen charakteristische Spektrallinien für Ti2AlN [2] Literaturreferenzen Physica Status Solidi B 1-18 OCTA Danksagung Dieses Forschungsvorhaben wird von der Baden-Württemberg Stiftung gGmbH im Rahmen des Forschungsprogrammes "CleanTech" gefördert (Projekt CT-6 "LamiMat").
