| 研究課題/領域番号 |
17K06771
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| 研究機関 | 名古屋工業大学 |
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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)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| 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 |
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| 研究実績の概要 |
Fe2VAl系ホイスラー型熱電材料について、非化学量論組成や元素置換に加えて、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った結果、以下の成果が得られた。
1.Si置換したFe2VAl0.90Si0.10合金をHPT加工したのち、873 Kで熱処理するとゼーベック係数がアーク溶解材と同等程度まで回復するだけでなく、熱伝導率は7.4 W/mK (300 K) まで低減した。HPT加工材の熱処理後の平均結晶粒径は138 nmであり、Ta置換と同様にSi置換についても粒成長抑制効果が認められた。
2.HPT加工材とアーク溶解材の格子熱伝導率比について結晶粒径依存性を調べた結果、置換元素によらず1本のユニバーサルな曲線上にのる。これより、Fe2VAl合金において粒径を100 nmまで制御することで、格子熱伝導率をアーク溶解材の50 %程度に低減できることが分かった。
3.二元素同時置換合金Fe1.98V0.97Ta0.05Al0.90Si0.10について、973 Kで熱処理を行ったところ、熱伝導率は5.2 W/mK (300 K)となり、アーク溶解材の50％まで低減することができた。また、TEM観察によるEDX分析でもTaの粒界偏析が認められ、このため粒径100nm以下の超微細粒組織を形成していることから、二元素同時置換による粒成長抑制効果は有効である。この場合の無次元性能指数はZT=0.24 (380K)であり、アーク溶解材と比べて14%性能向上した。
4.Fe2V0.10Al0.90合金では重元素置換により熱伝導率が大幅に低減しているが、HTP加工による結晶粒微細化(約120nm)を行うことで、熱伝導率は3.7W/mKとアーク溶解材の半分まで低減し、ZT=0.29 (580 K)と1.4倍に増大した。
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| 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
Fe2VAl系合金は、既存の熱電材料と比較して熱伝導率が非常に高く、この値の低減が性能向上の課題となっている。本研究では、Fe2VAl系合金に高圧ねじり(HPT)加工を施すことで結晶粒が微細化され、熱伝導率が大幅に低減することを明らかにしており，HPT加工による熱電性能の向上が期待されている。しかしながら、HPT加工を施すことでホイスラー構造が消失してゼーベック係数も低下するために，加工後に適切な熱処理が必要である。
とくにTa置換を施した合金においては、熱処理に伴う粒成長が抑制され、低い熱伝導率を維持することが分かっている。このような粒成長抑制効果がTa特有の効果であるかを調査するために，Taと比べて安価な元素であるSiを置換したFe2VAl合金においてもTa置換合金と同様に粒成長抑制効果が認められた。さらに、Ta＋Si二元素同時置換した合金については再結晶温度の上昇も確認できており、熱処理条件を最適化することで結晶粒超微細化が可能であることを明らかにした。
一方、熱伝導率低減に関連して、大阪大学との共同研究によりFe2VAlエピタキシャル薄膜の作製に成功し、とくにFe2VAl1-xSix薄膜(x=0.43)について3.9±1,4 W/mKとこれまで報告されているFe2VAl系のなかで最小値を達成している。この場合の熱伝導率低減はL21規則度が低減したことに起因している可能性もあるので、今後はホイスラー合金の結晶規則度が熱伝導率を制御するうえで重要であると考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
1. HPT加工を施したFe1.98V0.97Ta0.05Al0.90Si0.10を熱処理するとゼーベック係数の値が回復し、熱伝導率は5.2 W/mK (300 K)と低い値を維持している。しかしながら、Taの粒界偏析のため母相の組成が変化して熱電性能のピーク温度がシフトすることがある。そこでTa置換量を増やしたFe1.98V0.95Ta0.07Al0.90Si0.10についてHPT加工を施し、熱処理後の母相の組成を最適化することで性能向上を図る。
2, 粒成長抑制にはTa置換が有効であり，最適組成である10%Ta置換したV/Al非化学量論組成合金でHPT加工による性能向上を図る。とくにFe2V0.98Ta0.10Al0.92では重元素であるTaを置換することにより熱伝導率のフォノン成分が低減しているが，この値がHPT加工による結晶粒微細化でさらに低減することを検証する。
3. 価電子濃度VEC=6の新規ホイスラー合金としてRu2TiSi、Ru2VAl、Ru2TaAlなどが注目されている。なかでもRu2TaAlは熱伝導率がFe2VAlよりも低く、さらに擬ギャップのエネルギー幅がFe2VAlと比べて広いことから、より高温域に熱電性能のピークが存在することが予測される。これらのRu系ホイスラー合金について熱電特性を調べるとともに、さらにHPT加工を行うことで熱伝導率低減の可能性を明らかにする。
4. 重元素ドープによる格子熱伝導率の低減メカニズムを明らかにするために、置換元素周辺の局所的な格子歪みによるフォノン散乱の寄与について蛍光X線ホログラフィー(XFH)および広域X線吸収微細構造(EXAFS)を利用して解析する。さらに、Taドープした合金について非弾性X線散乱測定(IXS)により熱伝導を担うフォノンを直接観測する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
高圧ねじり加工後に熱処理するため、酸化防止を目的として当初はターボ分子ポンプの購入を予定していたが、以下の理由により使用計画を変更した。
熱電材料の合金組成が多元化して合金の硬度が高くなるにつれて、高圧ねじり加工用アンビルが加工中に破損することがしばしば起きたため、従来のアンビルの材質(D60)よりさらに靭性の高い超硬合金(VG60)製のアンビルを特注することにした。しかし、年度内に特注アンビルの納入が不可能であったため、次年度に購入することにした。また、合金組成の多元化に伴って回復・再結晶温度も高くなることが判明したため、熱処理炉の高温用部品の購入費としても使用する。
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