高温熱電変換用新素材としてのSiCセラミックスの研究

高温热电转换新材料SiC陶瓷的研究

基本信息

批准号：
63603514
负责人：
河本邦仁
金额：
$ 2.24万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
财政年份：
1988
资助国家：
日本
起止时间：
1988 至 1989
项目状态：
已结题

项目摘要

今年度は、中実および中空状微粒子の焼結によって得られる多孔質SiCセラミックスの熱電性能評価を行い、微細構造と性能指数の相関性を詳細に検討した。その結果、いくつかの微細構造設計指針を導くことができ、変換効率も昨年度に比べて約1桁向上することが可能となった。1.β-セラミックスの微細構造と性能指数-中空状β-SiC微粒子を用い、1750-2000℃、N_2中3h焼結した試料について、熱電測定、XRD、SEMおよびTEM観察などを行った。ゼーベック係数が焼結温度の上昇すなわち粒成長にともなって増加する事実を見いだしたが、これは粒成長による面欠陥密度の低下がフォノンの平均自由行程を増大させ、フォノンドラック効果をより顕著にさせたためと考えられた。導電率は2000℃までは焼結温度の上昇と共に増加するが、2000℃以上ではβ相が一部α相に転移するため低下することが分かった。2.添加物の影響-中空状および中空状微粒子を用い、B、C、BNをそれぞれ1wt%添加した焼結体を作製した。N_2中焼結試料はすべてn-typeであった。Bの添加は無添加のものに比べて導電率を若干低下させるが、ゼーベック係数を増加させ、結果としてpower factorをもっとも大きくすることが判明した。Ar中焼結試料はすべてp-typeであり、XRDによればほとんどα相へ転移していた。C添加では、無添加に比べて導電率はあまり下げずにゼーベック係数を上げるため、p型の中ではもっとも大きいpower factorを与えた。3.微細構造の設計指針-n型β-SiCの熱電変換効率向上のためには、1)密度を低く保ったまま粒成長を促進する、2)α相への転移を抑制する、3)N、Bなどのドーピングによりキャリア濃度を制御することが重要であるとの結論を得た。微細構造の制御、B、Cの添加により、変換効率を昨年度までに得られた値と比較して約1桁向上することができた。

今年，我们评估了通过烧结实心和空心颗粒获得的多孔SiC陶瓷的热电性能，并详细研究了微观结构和性能指标之间的相关性。因此，我们能够得出一些微观结构设计指南，并且与去年相比能够将转换效率提高约一个数量级。 1. β-陶瓷的微观结构和性能指标——对使用空心β-SiC颗粒在N_2中1750-2000℃烧结3小时的样品进行热电测量、XRD、SEM和TEM观察。我们发现塞贝克系数随着烧结温度的升高而增加，即随着晶粒的生长而增加，这是因为晶粒生长导致的平面缺陷密度的降低增加了声子的平均自由程，使得声子阻力效应更加明显。人们认为这是由于一次事故造成的。研究发现，当烧结温度升高到 2000°C 时，电导率增加，但在 2000°C 以上，由于 β 相部分转变为 α 相，电导率降低。 2.添加剂的影响-使用中空颗粒和中空颗粒，制备B、C和BN各添加1重量％的烧结体。所有在N_2中烧结的样品都是n型的。结果发现，与不添加B相比，添加B略微降低了电导率，但增加了塞贝克系数，导致功率因数最大。 Ar 中烧结的所有样品均为 p 型，根据 XRD，大多数样品已转变为 α 相。与不添加C相比，添加C会增加塞贝克系数，而不会大幅降低电导率，使其成为p型材料中功率因数最大的。 3. 微观结构设计指南 - 为了提高n型β-SiC的热电转换效率，需要1）在保持低密度的同时促进晶粒生长，2）抑制向α相的转变，3）我们得出结论，通过掺杂 N、B 等来控制载流子浓度很重要。通过控制微观结构并添加B和C，我们能够将转换效率比去年获得的值提高约一个数量级。