2019 Fiscal Year Research-status Report
金属ホウ化物中間相を利用した粉末冶金的手法による熱電ホウ素化合物の開発
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18K14030
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
丸山 恵史 東京都市大学, 工学部, 講師 (40780573)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 反応ホウ化焼結 / 熱電材料 / ホウ化反応 / 放電プラズマ焼結 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、反応ホウ化焼結法を利用した粉末冶金的手法を通してホウ素系材料を作製し、添加元素に伴うホウ素との共晶現象ならびに金属-ホウ素中間相を 利用した材料相組織構造制御および熱電特性の高性能化に取り組む。本年度は前年度に引き続き、添加金属の選定ならびに金属ホウ化反応の制御を行うとともに、熱電特性に関する評価を実施した。また、炭化ホウ素焼結体は金属元素の添加に伴い、焼結密度が格段に向上したことから、組織面における焼結挙動を調査した。
金属を添加した炭化ホウ素は、添加した金属の種類によって収縮の挙動が異なることが明らかになった。炭化ホウ素が液相中へ溶出する場合は昇温に対して連続的に収縮したのに対し、金属相がホウ素側へ拡散する場合は、特定の温度の際に急激に収縮・緻密化することが明らかになった。以上のことから、これまでは、全て同一の焼結プログラムを用いて焼結を実施していたが、金属ごとにより、焼結プログラムを変えることで、より低温で迅速に焼結が可能になる可能性がある。
金属アルミノボライド(AlMB14系化合物)においては、ホウ素のネットワーク構造に対し、Nの置換を試みた。SEM-EDXによる微細組織の評価ならびに元素マッピング、X線回折による相同定ならびに結晶構造解析の結果より、Nが構造中に置換していることが示唆された。押し込み硬さ試験として、ビッカース硬さを評価した結果、置換量の増加に伴い、硬さも増加した。伝導機構への影響は、現在調査中である。
熱電特性の評価として、１素子での発電試験ならびにp型, n型デバイスでの出力試験、デバイスの耐久試験を中心に行なった。その結果、金属添加した炭化ホウ素は無添加と比較して開放電圧はわずかに低下するものの、発電デバイスとしての内部抵抗が減少したことから、出力電力は向上した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
10月以降、台風による停電や装置のトラブル、実験時間の制限が発生し、試料の物性評価、特に試料の輸送特性の評価に関して、遅れが生じていた。この件に関して、今後は外部機関等を有効に利用し、遅れを取り戻す予定である。また、作製した試料の構造評価は順調に進めることができた。熱電発電試験は輸送特性の評価が十分に行えなかったが、これまでの測定データを元に精力的にデバイスならびに１素子での熱電発電試験を行った。発電試験において、金属ホウ化物中間相を導入することにより、当初想定していなかったデバイス内の接触抵抗低減に伴う出力の向上が見られている。
金属アルミノボライド系において、今年度はホウ素ネットワークに対し、Nの置換を重点的に行った。置換試料の結晶構造評価は順調に進んでいる。また、ビッカース硬さ試験の結果、硬さが置換量に従い変化した。したがって、熱伝導機構を中心に、物性の変化が期待できるため、現在、種々の物性を精査中である。
物性評価に遅れが生じたが、大気化での熱サイクル付与による熱安定性、耐酸化性ならびに発電出力の安定性評価は進めることができた。これにより、熱電デバイス化に向けたホウ素系材料の熱サイクルが材料に与える影響に関する知見を得ることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、金属ホウ化物中間相を利用したホウ素系熱電材料の作製および評価を実施する。
遅れが生じた輸送特性の評価に関しては、外部機関の利用ならびに代替装置を利用して測定を実施し、遅れを取り戻す。また熱電材料において、性能指数であるZTでの評価に加えて、直近では１素子での発電量も重要視されてきている。そこで、昨年度後半から実施し始めた１素子での発電性能試験も今後継続して実施し、発電量の評価ならびにホウ化物材料の改良を通した、発電量向上を目指す。
また熱伝導率の評価も継続して実施する。中間相の導入ならびに組織の微細化に伴い、熱伝導率の重要な因子であるフォノン散乱の機構が導入されており、加えて、金属アルミノボライド系では新規な元素置換にも成功が示唆されていることから、電子的な輸送特性のみならず、熱伝導に影響が出ていることが推測される。そこで、レーザーフラッシュ装置を用いて、熱伝導率測定を実施し、微細組織や元素置換との関連性を評価していく。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由として、年度内の消費税率の変更に伴い、納期の違いにより税率が異なっため、僅かに余りが生じた。
生じた次年度使用額は僅かではあるが、投稿論文の校正等、有効に利用させていただく予定である。
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