炭化ケイ素-炭化ホウ素系複合セラミックスの傾斜機能熱電変換材料としての応用

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06453081
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 後藤 孝 東北大学, 金属材料研究所, 助教授 (60125549)
• 研究分担者: 増本 博 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (50209459)
• キーワード: 炭化ホウ素 / 炭化ケイ素 / 熱電性能 / 共晶反応 / ホウ素リッチホウ化物 / 傾斜機能材料 / 微細構造 / 性能指数

研究概要

1200K以上の超高温域で熱電性能が高い炭化ホウ素(B_4C)は有望な材料であるが、本研究では、複合化によって微細構造を制御することにより、その熱電特性を向上することをを目的とした。
本研究では、p型の熱電材料として比較的高い性能を有し、耐酸化性の向上にも効果的な炭化ケイ素(SiC)をB_4Cと複合化することに着目した。まず、炭化ケイ素と炭化ホウ素の相関係を調べ、それらの相間の熱力学反応を利用して材料の微細組織を制御することを試みた。種々の組成の混合粉体をアーク溶解し、ボタン状試料を得た。SiC40〜50mol%付近で典型的なラメラ状の組織が認められ、SiC-B_4C系が、擬二元共晶系であることを明らかにした。SiC量20〜70mol%の試料の熱電性能は、いずれも温度の上昇とともに上昇するが、特に、SiC40mol%の試料が最大の性能を有し、1000KでZT=0.1以上になった。さらに、約1300K以上の温度域でほぼ実用化レベルに達する。本研究で得られた試料は従来知られている高性能ホウ素リッチホウ化物に匹敵し、さらに、従来の材料よりも温度変化が大きいので、1300K以上の高温域でより優れた性能が期待できる。従来のホウ化物は、耐酸化性が低く、1000℃以下で容易に酸化するのが問題であったが、SiCの添加により、著しく耐酸化性が向上することを確認した。
本研究により開発されたSiC-B_4C共晶セラミックスは1300K以上で優れた熱電特性を有することから、800〜1100Kの範囲で優れた特性を有するSi_7Ge_3、500〜800Kの範囲で優れた特性を有するPbTe、室温〜500Kで優れているBi2Te3などと接合し、傾斜機能材料を形成することにより、全温度範囲で熱電特性を最適化することが、今後の課題である。

研究成果

• [文献書誌] 陳 立東,後藤 孝,向田雅一,新野正之,平井敏雄: "Si-B系セラミックスの相図と熱電特性" 粉体および粉末冶金. 41. 1299-1303 (1994)
• [文献書誌] 後藤 孝,伊藤永二,向田雅一,平井敏雄: "SiC-B_4C共晶セラミックスの微細組織とゼ-ベック係数" 粉体および粉末冶金. 41. 1304-1307 (1994)
• [文献書誌] 後藤 孝,伊藤永二,平井敏雄: "アーク溶解法によるSiC-B_4C共晶セラミックスの硬さと微細組織" 粉体および粉末冶金. 42(印刷中). (1995)
• [文献書誌] L.Chen,T.Goto,M.Mukaida,M.Niino,T.Hirai: "Synthesis and Thermoelectric Properties of Silicon-boron Compounds with High Boron Contents" Proc.3rd Int.Conf.on SFGM. (in press). (1995)
• [文献書誌] 後藤 孝,伊藤永二,向田雅一,平井敏雄: "SiC-B_4C共晶セラミックスの熱電性能" 第7回傾斜機能材料シンポジウム(FGM'94)論文集. 195-199 (1995)