2018 Fiscal Year Annual Research Report
金属粒界相制御によるZT=2を超える高性能コンポジット熱電変換材料の開発への挑戦
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17H03398
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
林 慶 東北大学, 工学研究科, 准教授 (70360625)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮崎 讓 東北大学, 工学研究科, 教授 (40261606)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 熱電変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度はMg2Siを母相とするコンポジット試料の熱電性能を向上することを目的とし、金属分散相の組織形態と熱電性能の関係を調査した。組織形態の変化は、母相と分散相の界面における障壁高さの変化をもたらし、電気伝導や熱伝導に影響を与えると考えた。
小さい粒径(1～10 μm)のNi相を分散させた、Ni/Mg2Siコンポジット試料を作製した。熱電性能を測定したところ、Mg2Siと比較して、0.01Ni/Mg2Siコンポジット試料の電気伝導率は減少，ゼーベック係数は増加した。一方、Ni/Mg2Siコンポジット試料の熱電性能を有効媒質理論を用いて計算したところ、Niの体積分率が大きくなるほど電気伝導率は増加、ゼーベック係数は減少することがわかった。これらの結果より、1～10 μm 程度のNi分散相のサイズでは、Ni分散相と母相のMg2Siの界面の障壁高さが、電気伝導を阻害しない程度まで低くなっていないことが予想される。
固相反応法で(Mg1-xAlx)2Si試料を作製したところ、x=0以外の全ての試料でAl相が確認され、格子定数に有意な変化がみられなかったことから、Al/Mg2Siコンポジット試料になっていることがわかった。この試料の熱電性能を測定した結果、電気伝導率の増加を反映して、Mg2Siよりも高い出力因子を得た。以前我々が放電プラズマ焼結で作製した0.75Al/Mg2Siコンポジット試料よりもzTは高くなり、(Mg0.98Al0.02)2Si試料で最大のzT=0.60 (800 K)を達成した。1 μmサイズ以下のAl相がMg2Siの粒界に存在していて、網目状構造を形成していることが出力因子とzTの増大につながったと考えられる。
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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
今年度は、分散相の組織制御によりコンポジット試料の熱電性能を向上することを目的とし、様々な合成法を用いてNi/Mg2Siコンポジット試料とAl/Mg2Siコンポジット試料を作製した。結果として、網目状組織の分散相を導入することでzTが増加することを明らかにできたことから、順調に進展していると結論した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで作製してきたMg、Al、Ni/Mg2Siコンポジット試料はいずれもn型であった。金属分散相の組織制御により、熱電性能を向上する指針が得られたことから、今後はMg2Siを母相とするp型のコンポジット試料の作製を試みる。引き続き、n型コンポジット試料の熱電性能向上を進めるとともに、得られた知見をp型コンポジット試料に応用することで、n型、p型両方の高性能コンポジット試料を得る。
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[Presentation] Determination of dopant position of thermoelectric material B-doped Mg2Si by white neutron holography2019
Author(s)
K. Sugimoto, S. Uechi, Y. Kanazawa, Y. Fukumoto, T. Yamamoto, K. Ohoyama, K. Hayashi, N. Happo, M. Harada, K. Oikawa, Y. Inamura, K. Hayashi, W. Saito, Y. Miyazaki
Organizer
ISSP - J-PARC Joint Workshop on Science Frontier by Neutron Scattering ～ The 17th Korea-Japan meeting on Neutron Science ～
Int'l Joint Research
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[Presentation] 白色中性子ホログラフィーによる熱電材料BドープMg2Siの研究2019
Author(s)
杉本和哉, 上地昇一, 金澤雄輝, 本陽平, 山本隆文, 大山研司, 林好一, 八方直久, 原田正英, 及川健一, 稲村康弘, 林慶, 齋藤亘, 宮﨑讓
Organizer
日本物理学会 第74回年次大会
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[Presentation] 白色中性子ホログラフィーによる熱電材料BドープMg2Siの研究2018
Author(s)
杉本和哉, 上地昇一, 金澤雄輝, 福本陽平, 山本隆文, 大山研司, 林好一, 八方直久, 原田正英, 及川健一, 稲村康弘, 林慶, 齋藤亘, 宮﨑讓
Organizer
第8回3D活性サイト科学成果報告会
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[Presentation] マグネシウムシリサイド熱電材料における活性サイトの研究2018
Author(s)
林慶, 齋藤亘, 宮﨑讓, 杉本和哉, 上地昇一, 金澤雄輝, 福本陽平, 山本隆文, 大山研司, 林好一, 八方直久, 原田正英, 及川健一, 稲村康弘
Organizer
第8回3D活性サイト科学成果報告会
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[Presentation] 白色中性子ホログラフィーによる熱電材料BドープMg2Siの研究2018
Author(s)
杉本和哉, 上地昇一, 金澤雄輝, 福本陽平, 山本隆文, 大山研司, 林好一, 八方直久, 原田正英, 及川健一, 稲村康弘, 林慶, 齋藤亘, 宮﨑讓
Organizer
日本中性子科学会 第18回年会
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