REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Hitri razvoj in globalizacija sta v 21. stoletju še vedno podprta s fosilnimi gorivi, ki imajo negativen vpliv na okolje, njihovi naravni viri pa so omejeni. Velik vir energije lahko predstavlja odpadna toplota, ki jo je mogoče izkoriščati s pomočjo termoelektričnih generatorjev, ki transformirajo temperaturni gradient v električni potencial s t. i. Seebeckovim efektom. Materiali na osnovi oksidov so primerni za visokotemperaturne aplikacije, in sicer zaradi njihove dobre kemične in temperaturne stabilnosti na zraku. Sistem ZnO - In2O3 s serijo superstrukturnih homolognih faz ZnkIn2Ok+3 predstavlja odlično platformo za nadaljnjo optimizacijo termoelektričnih lastnosti keramike tipa n na osnovi ZnO.
V doktorski disertaciji sem se najprej osredotočala na študij procesov nastajanja homolognih faz v sistemu (ZnO)kIn2O3 keramike in njihov vpliv na sintranje, razvoj mikrostrukture in termoelektrične lastnosti. Rezultati kažejo na formiranje homolognih faz pri temperaturah nad 1000 °C, na proces njihovega nastajanja pa močno vpliva lokalno razmerje med Zn in In (Zn/In) v izhodni zmesi prahov. Glede na to v sestavah z visokim dodatkom In2O3 (k = 5) ravnovesna homologna sestava Zn5In2O8 nastane direktno, rast ploščičastih zrn faze pa je enakomerna, ker je homogenost kemijske sestave v celotnem vzorcu dosežena hitro. Nasprotno pri nižjih dodatkih In2O3 (k = 11 in 18), v področjih bogatih z In2O3, nastaneta fazi Zn5In2O8 in Zn7In2O10 in rasteta na račun faz z visokim k, ki nastanejo v področjih s primanjkljajem In2O3, dokler ne nastane ravnotežna fazna sestava za začetne k vrednosti, kar zahteva dolgo sintranje na visokih temperaturah. V teh vzorcih lahko opazimo pretirano rast zrn, vse dokler ni dosežena homogenost sestave v celotnem vzorcu. Zaradi tega je velikost zrn v teh vzorcih večja kot v vzorcu s k = 5. Rezultati so pokazali, da se višja stopnja urejenosti strukture in sestave odraža tudi v boljših termoelektričnih lastnostih keramike (ZnO)kIn2O3.
Študija dopiranja z Al je v nasprotju s prejšnjimi literaturnimi poročili jasno pokazala, da se Al vgrajuje na mesta In na obeh primarnih mestih v homologni fazi Zn5(In1-xAlx)2O8, na oktaedrskih mestih v inverznih mejah vzdolž bazalnih ravnin in na trigonalnih bi-piramidalnih mestih v cik-cak inverznih mejah. To se odraža v linearnem večanju skrčka osnovne celice z naraščajočimi dodatki Al, zmanjšano koncentracijo nosilcev naboja in vplivom na njihovo mobilnost, kar povzroči nižjo električno prevodnosti in le manjše znižanje vrednosti ZT.
Priprava keramike (ZnO)kIn2O3 zahteva dolgo sintranje na visokih temperaturah, zato sem študirala možnosti njene izdelave z mikrovalovnim sintranjem (MW) in sintranjem v električnem polju (FAST). Začetno segrevanje pri MW sintranju je bilo povzročeno z efektivnim odzivom In2O3 na MW polje in prenosom generirane toplote na slabše odzivni ZnO. Ob približno 70 % manjši porabi energije je izdelana keramika s sestavo homolognih faz ZnkIn2Ok+3 imela visoko gostoto, podobno kot pri konvencionalno sintranih vzorcih. FAST procesiranje se je izkazalo z bistveno pospešenim sintranjem in formiranjem homolognih faz ZnkIn2Ok+3, tako da je faza Zn5In2O8 nastala že po 5 min na 1000 °C, medtem ko je pri konvencionalnem sintranju potrebno 22 ur pri 1200 °C. Električno polje je skupaj s pritiskom prispevalo k zmernemu teksturiranju keramike in za 50 % izboljšani električni prevodnosti v primerjavi s konvencionalnimi vzorci.