2017 Fiscal Year Research-status Report
過冷却による熱電変換材料の組織制御と高性能化：結晶化プロセスの速度論構築
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16K06137
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| Research Institution | Ishikawa National College of Technology |
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Principal Investigator |
義岡 秀晃 石川工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (80259845)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
加藤 亨 石川工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (50612016)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 凝固 / 結晶成長 / 熱電変換材料 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，高性能な熱電変換材料を高速に製造するための新規製造技術の開発を目指し，その設計において基礎となる化合物半導体の結晶化プロセスの速度論構築を目的とするものである．前年度に引き続き，本年度では，サリチル酸アセトアミド溶液を供試した結晶成長過程のその場観察実験を実施するとともに，実際のビスマステルル熱電合金を供試した材料製造実験を行い，両者の実験から得られるデータに基づいて考察を進めた．主な成果内容を以下に示す．
まず，その場観察実験からは，過冷却状態からの化合物凝固の素過程が観察され，ハイスピードカメラによる記録データの分析により，成長速度の異方性や，化合物として特徴的なファセット形態からなる成長モフォロジーの動的挙動が，過冷却温度の大きさとその勾配等といった熱的条件との関係のもとで明らかにされた．
次いで，ビスマステルル系の実用熱電変換合金を供試した実験からは，熱電特性の向上につながる結晶配向性，ならびに機械特性の向上をもたらす組織微細化が，本研究が提案する手法によって達成されたことが確認され，それらのミクロ性と熱的操作条件との関係が実験的に明らかにされた．
以上の結果を総合して，過冷却状態からの化合物の結晶化プロセスが，（第１段階）熱的過冷却の散逸過程：自由成長過程，（第２段階）組成的過冷却の緩和過程：外部冷却による凝固，（第３段階）通常の相変化熱伝導過程：外部冷却による凝固の３つの素過程からなることが示され，界面カイネティクスや輸送現象の観点から現象の詳細を議論することにより，結晶化プロセスの速度論構築の基礎となる基礎的知見が得られた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度実施計画では，（１）結晶周りに発達する温度・濃度共存場と関係づけた化合物の成長機構，ならびに（２）過冷却と外部冷却を熱的原資とする化合物生成における結晶成長過程のモデル化を当初の課題として挙げていた．継続実施しているその場観察実験からは，結晶面による成長速度の差異，成長に伴う凝固潜熱発散による熱的状態変化などが明らかとされてきており，また，熱電変換合金を供試した新素材製造実験においては，熱電変換に好ましい結晶配向性とともに，現象の裏付けとなる温度・組織データが得られてきている．総合的には，研究実績の概要で述べたように，本年度の実施計画で掲げた事項が概ね達成されてきていると言える．したがって本年度の達成度を概ね順調に進展しているとした．
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| Strategy for Future Research Activity |
溶融組成が化合物組成に近く凝固に伴う組成的過冷却が小さい場合には，熱電変換に有利な方向特性を発現させるために，より大きな熱的過冷却の温度勾配が必要となることが実験によって明らかとされた．より効率的に方向特性を向上させるための方策として，核生成の下地となる冷却壁面性状の影響についても追加実験を実施して鋭意調査中である．また，引き続き透明有機溶液を用いたその場観察実験による動的挙動の分析を進めている．最終的には，材料製造実験と速度論モデルによるシミュレーションの双方からの相乗的アプローチによって，熱電変換材料の高性能化につながる過冷却凝固のミクロ組織制御を進展させる．
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| Causes of Carryover |
研究成果を海外ジャーナルへ投稿するための英文校正作業が年度をまたいだため，その英文校正費用を次年度に繰り越した．
翌年度以降に請求する研究費と合わせた使用計画については，上記経費のほか，前年度に引き続き実験を行うための試料，組織観察用品，温度センサ，情報収集と発信のための諸経費ならびに研究成果の発表旅費等に使用する予定である．
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Research Products
(2 results)
