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2017 年度 実施状況報告書

非化学量論組成ホイスラー型熱電材料の高圧ねじり加工による性能向上とその機構解明

研究課題

研究課題/領域番号 17K06771
研究機関名古屋工業大学

研究代表者

西野 洋一  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50198488)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワードホイスラー合金 / 熱電変換材料 / 擬ギャップ / 高圧ねじり加工 / 非化学量論組成 / ゼーベック効果 / 超微細粒組織 / 熱伝導率
研究実績の概要

Fe2VAl系ホイスラー化合物熱電材料について、非化学量論組成や元素置換の効果に加えて、高圧ねじり(HPT)加工を利用することで結晶粒超微細化による熱伝導率低減のシナジー効果により熱電性能の大幅な向上を図る。得られた結果は以下の通りである。
1. V/Al非化学量論組成の合金として、出力因子の高いFe2V1.05Al0.95及びTa置換したFeVTa0.05Al0.95に対してHPT加工した結果、熱伝導率はアーク溶解試料の半分程度の5 W/mK(300 K)に低減した。しかし、強加工の影響によりホイスラー型規則構造が消失しており、そのためゼーベック係数は大幅に低減した。
2. 放射光高温X線回折測定から、HPT加工した試料を850 K-900 Kまでその場加熱すると規則格子反射ピークが出現するとともに格子定数はほぼアーク溶解試料と一致することを確認した。そこで中間温度の873 Kで熱処理したところ、出力因子はアーク溶解試料と同等程度まで回復したが、Ta置換していない試料では熱伝導率も増加した。一方、Ta置換試料では熱処理後も熱伝導率は5 W/mK(300 K)を保持しており、その結果、無次元性能指数はZT=0.30(500 K)まで増加した。これは、同一組成のアーク溶解試料のZT=0.22と比べて50%近い性能向上である。
3.熱処理したTa置換試料のTEM観察の結果、平均結晶粒径は80nmまで超微細化していることを確認した。一方、Ta置換していない合金では270nmに粗大化しており、このため熱伝導率が増加した。
4. HAADF-STEM像において粒界に沿ってより明るいコントラストが観察されており、重元素の偏析を示唆している。さらに、STEM-EDXによる元素マッピング像では粒界にTaが0.5at.%程度多く偏析していることから、粒成長の抑制はTaの粒界偏析に起因すると結論した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

ホイスラー化合物熱電材料の性能向上のためには熱伝導率低減が重要な課題である。そのために結晶粒超微細化が有効であり、その方法の一つが粉末冶金を利用した焼結体作製であるが、この場合、結晶粒径をナノメータレベルまで超微細化することは困難であった。もう一つが高圧ねじり加工による方法であり、これまでスクッテルダイト系など比較的脆い材料に広く応用された研究例はあるが、Fe2VAl系への適用は本研究が初めてである。
とくに、Fe2VTaxAl1-xではHPT加工によりアーク溶解試料と比べて熱伝導率が50%程度まで低減することが分かった。TEMにより結晶粒径を評価して比較検討すると、結晶粒径が270nm程度ではフォノン熱伝導率がアーク溶解試料と比べて約15%低減し、100 nm以下まで微細化することで約50%低減することが明らかとなった.さらに、フォノン熱伝導率の低減に対して、Taによる重元素置換の効果と結晶粒超微細化の効果はほとんど独立に影響を及ぼすことが明らかとなり、重元素置換した合金に対してもHPT加工によるZT向上は可能である。
一方、当初研究目的であった非化学量論組成の効果についても新たな知見が得られている。たとえば、V/Al非化学量論組成にするとp型よりn型の性能が向上するので、n型Fe2V1+xAl-x(x>0)を利用して、VをTiで部分置換してフェルミ準位を伝導帯側から価電子帯側にシフトさせることでp型性能の向上を確認した。さらに、VをTaで置換して熱伝導率の大幅な低減を図った結果、500 KでZT=0.18を達成しており、Fe2VAl系p型材料としては最高性能である。

今後の研究の推進方策

1. Fe/V とV/Al の2 種類の非化学量論組成を最適化して,さらにTa 置換を施した合金では,HPT加工を行っても適切な熱処理をすることで出力因子に及ぼす影響を最小限に抑えて熱伝導率のみを実質的に低減できることを明らかにする。とくにTa 置換は熱伝導率の低減のみならず,HPT加工後の超微細粒組織の形成にとっても有効であることを検証する。
2. HPT加工後の熱処理において、粒成長抑制にはTa添加が有効であることを確認したが、Taと同様にTiやSiにも粒成長抑制効果があることを予測している。そこで、TiとTaまたはSiとTaを同時添加してHPT加工を行うことで、結晶粒微細化効果を比較検討する。さらに、粒界へ偏析するTaおよびTi、Siの原子濃度を個別に調べることで,これらの元素に特有の粒成長抑制効果の大小関係を明らかにする。
3. 放射光を用いる高分解能光電子分光実験を行って価電子帯の電子構造を精査する。化学量論組成Fe2VAlでは擬ギャップの中心にフェルミ準位が位置することを確認しているので,これをリファレンスとして,擬ギャップ構造に及ぼす非化学量論組成の効果を明らかにし,ゼーベック係数が増大すると同時にピーク温度も上昇する機構を検討する。
4. Fe/V およびV/Al 非化学量論組成の合金単結晶を作製して,3 次元角度分解光電子分光測定を行う。この手法によりΓ点のホールポケットおよびX 点の電子ポケットを直接観測して,ゼーベック係数のピーク温度上昇の起源となるバンド構造変化を調べる。また,準粒子分散,フェルミ面形状,価電子帯バンド分散を測定して熱電性能の向上に対して検証を行う。とくに,ゼーベック係数のピーク温度の上昇は剛体バンドモデルでは説明できないので,非化学量論組成にともなう混成強度の変化に起因して擬ギャップのエネルギー幅が増加している可能性もあると考えている。

  • 研究成果

    (25件)

すべて 2018 2017 その他

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (22件) (うち国際学会 6件、 招待講演 5件) 備考 (1件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Structure and Thermoelectric Property of Bulk CaMgSi Intermetallic Compound2017

    • 著者名/発表者名
      N. Miyazaki, N. Adachi, Y. Todaka, H. Miyazaki, Y. Nishino
    • 雑誌名

      AIP Conference Proceedings

      巻: 1865 ページ: 050007/1-7

    • DOI

      10.1063/1.4993372

    • 査読あり
  • [学会発表] 高速焼結によって作製されたBi-Te系熱電変換材料の電子・結晶構造評価2018

    • 著者名/発表者名
      宇佐見真子、宮崎秀俊、田村友幸、三上祐史、曽田一雄、西野洋一
    • 学会等名
      第7回名古屋大学シンクロトロン光研究センターシンポジウム
  • [学会発表] ホイスラー化合物熱電材料の実用化研究ー自動車排熱発電への応用ー2018

    • 著者名/発表者名
      西野洋一
    • 学会等名
      日本熱電学会第7回プライムコア交流会
    • 招待講演
  • [学会発表] 蛍光X線ホログラフィーによるTaドープFe2VAlホイスラー型熱電材料のTaまわり局所構造解析2018

    • 著者名/発表者名
      木村耕治,山本健太,林好一,J. R. Stellhorn,細川伸也,八方直久,松下智裕,田尻寛男,宮崎秀俊,西野洋一
    • 学会等名
      第7回3D活性サイト科学成果報告会
  • [学会発表] 高圧ねじり加工を施したFe2VTa0.10Al0.90合金の熱電特性に及ぼす超微細粒組織の影響2018

    • 著者名/発表者名
      塚谷佑介,増田真也,宮崎秀俊,土谷浩一,西野洋一
    • 学会等名
      日本金属学会2018年春期(第162回)講演大会
  • [学会発表] 粉末冶金により作製したTa置換Fe2VAl系熱電材料の熱電特性評価2018

    • 著者名/発表者名
      杉江拓弥,倉田康平、三上祐史,西野洋一
    • 学会等名
      日本金属学会2018年春期(第162回)講演大会
  • [学会発表] 非化学量論組成Fe2VAl合金におけるTiおよびTa置換によるp型熱電特性の向上2018

    • 著者名/発表者名
      上園秀哉,木村和誠,宮崎秀俊,西野洋一
    • 学会等名
      日本金属学会2018年春期(第162回)講演大会
  • [学会発表] Fe-Ni合金の微細組織および制振性能に及ぼすC添加の影響2018

    • 著者名/発表者名
      小輪瀬詞也,佐藤尚,知場三周,渡辺義見,西野洋一,川崎由康,船川義正
    • 学会等名
      日本鉄鋼協会第175回春季講演大会
  • [学会発表] New Development of Thermoelectric Materials based on Heusler Compounds2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Nishino
    • 学会等名
      XVII International Forum on Thermoelectricity
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Modification of pulsed electric current sintering conditions for the reduction of processing time2017

    • 著者名/発表者名
      M. Mikami, K. Kubo, N. Uchiyama, H. Miyazaki, Y. Nishino
    • 学会等名
      12th Pacific Rim Conference on Ceramic and Glass Technology
    • 国際学会
  • [学会発表] Promising Thermoelectric Materials based on Heusler Compounds2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Nishino
    • 学会等名
      IX International School on Thermoelectricity
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Thermoelectric properties of Heusler-type off-stoichiometric Fe2-yV1+x+yAl1-x alloys2017

    • 著者名/発表者名
      H. Miyazaki, M. Inukai, N. Ide, Y. Nishino
    • 学会等名
      36th International Conference on Thermoelectrics - ICT2017
    • 国際学会
  • [学会発表] 蛍光X線ホログラフィーによるTaドープFe2VAl熱電変換材料の局所構造解析2017

    • 著者名/発表者名
      山本健太,木村耕二,林好一,J. R. Stellhorn,細川伸也,戎佳宏,尾崎徹,八方直久,田尻寛男,宮崎秀俊,西野洋一
    • 学会等名
      日本金属学会2017年秋期(第161回)講演大会
  • [学会発表] 鋳造によるFe2VAl系熱電素子材料の作製と特性評価2017

    • 著者名/発表者名
      林田武士,吉見仁志,井手直樹,宮崎秀俊,玉岡悟司,西野洋一
    • 学会等名
      日本金属学会2017年秋期(第161回)講演大会
  • [学会発表] HPT加工を施したFe2VAl合金の熱電特性に及ぼす元素置換の影響2017

    • 著者名/発表者名
      増田真也,宮崎秀俊,西野洋一,土谷浩一
    • 学会等名
      日本金属学会2017年秋期(第161回)講演大会
  • [学会発表] 高速通電焼結による熱電変換材料の合成2017

    • 著者名/発表者名
      三上祐史,杵鞭義明,久保和哉,内山直樹,宮崎秀俊,西野洋一
    • 学会等名
      日本金属学会2017年秋期(第161回)講演大会
  • [学会発表] 非化学量論組成Fe2VAl合金におけるTiおよびTa置換によるp型熱電性能の向上2017

    • 著者名/発表者名
      上園秀哉,犬飼学,宮崎秀俊,西野洋一
    • 学会等名
      日本金属学会2017年秋期(第161回)講演大会
  • [学会発表] 擬ギャップ系ホイスラー合金の熱電発電素子応用2017

    • 著者名/発表者名
      宮崎秀俊,西野洋一
    • 学会等名
      日本金属学会2017年秋期(第161回)講演大会
    • 招待講演
  • [学会発表] 熱電材料の高速通電焼結に関する検討2017

    • 著者名/発表者名
      三上祐史,杵鞭義明,久保和哉,内山直樹,宮崎秀俊,西野洋一
    • 学会等名
      第14回日本熱電学会学術講演会
  • [学会発表] Non-Destructive Assessment of Fatigue Damage in CFRP Using Amplitude-Dependent Internal Friction2017

    • 著者名/発表者名
      Y. Nishino, R. Kawaguchi, S. Tamaoka, N. Ide
    • 学会等名
      The 18th International Conference on Internal Friction and Mechanical Spectroscopy (ICIFMS-18)
    • 国際学会
  • [学会発表] Cu-Al希薄合金の振幅依存性内部摩擦の低温測定2017

    • 著者名/発表者名
      小杉俊男,和田敬司,井手直樹,西野洋一
    • 学会等名
      日本物理学会2017年秋季大会
  • [学会発表] 光電子分光法を用いたSmO薄膜の電子状態観測2017

    • 著者名/発表者名
      酒井 優,宮崎秀俊,西野洋一
    • 学会等名
      UVSORシンポジウム2017
  • [学会発表] Pseudogap Engineering of Fe2VAl Heusler Compounds for Automotive Thermoelectric Applications2017

    • 著者名/発表者名
      Yoichi Nishino
    • 学会等名
      The 2017 Global Research Efforts on Energy and Nanomaterials (GREEN 2017)
    • 国際学会 / 招待講演
  • [備考] 名古屋工業大学 エネルギー材料設計研究室 ホームページ

    • URL

      http://enemat.web.nitech.ac.jp/

  • [産業財産権] 欠陥検出装置及び欠陥検出方法2017

    • 発明者名
      後藤 肇,廣田 亮,西野洋一
    • 権利者名
      本田技研工業(株),名古屋工業大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      特願2017-104100

URL: 

公開日: 2018-12-17  

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