高温熱電エネルギー変換用新素材としてのSICセラミックスの研究

SIC陶瓷作为高温热电能量转换新材料的研究

基本信息

批准号：
62603514
负责人：
河本邦仁
金额：
$ 2.56万
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：
1987
资助国家：
日本
起止时间：
1987 至无数据
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では, 炭化ケイ素セラミックスの耐熱性・耐食性を生かし, 高温で使用可能な熱電変換材料としての諸特性を最大限利用することを目的としている. 今年度の研究により, 多孔質化したSiCセラミックスが従来の熱電変換材料に比較して, 性能指数が約1〜2桁小さいもののその高温特性は十分優れていることを見出した. すなわち, 多孔質化によって熱伝導率は緻密セラミックスの約1/10〜1/100に低減されること, 導電率は単結晶の値に比べて遜色のないこと, ゼーベックス係数の絶対値が温度上昇にともなって増加することを見出し, 高温におけるエネルギー変換効率の大きい材料であることを示した. このゼーベック係数の温度依存性の特異性は, フォノンドラッグ効果を考慮した詳細な理論解析によって良く説明することができた. この解析より, 粒子表面, 粒界, 積層欠陥等によって散乱される音響フォノンが電子を引きずるために見かけ上のゼーベック係数が大きくなることが判明し多孔質微細構造の制御が材料開発の上で重要な鍵を握っていることを指摘した.さらに, 微細構造制御のためのブリカーサー材料として中空状SiC微粒子が有効であるとの観点から, 気相反応(CVD)法によってシランーメタンー水素系からの中空状微粒子生成反応の検討を行った. 合成粉末の組成, 粒子サイズなどは, 反応温度, ガス組成, 全流量などによって変化することを明らかにした. Siリッチ組成の粉末では, 過剰のSiが若干β-SiCに固溶するが残りは未反応のまま粒子のコア部分に残存すること, Cリッチ組成の粉末では粒子はほぼ全て中空状となっているが, 過剰のCはβ-SiCには固溶せず, 中空粒子の殻中にアモルファス相として散在すること等を, X線回析, 透過型電顕観察, 赤外吸収分析などによって確認することができた. これらの粉末に適当な助剤を加えて焼結することにより, 多孔質微細構造の制御が今後可能になるという感触を得た.

这项研究的目的是充分发挥碳化硅陶瓷的耐热性和耐腐蚀性，最大限度地利用其各种性能作为可在高温下使用的热电转换材料。今年的研究揭示了：多孔SiC陶瓷的研究发现，尽管其品质因数比传统热电转换材料小约一到两个数量级，但其高温性能却足够优越。通过使其多孔化，热导率降低至致密陶瓷的约1/10至1/100，电导率与单晶相当，并且Seebex系数的绝对值随着温度的升高而变化。作者发现。材料随着高温下能量转换效率的增加而增加。塞贝克系数的温度依赖性的特殊性是考虑到声子阻力效应的详细理论分析提供了很好的解释，从该分析中可以看出，表观塞贝克系数是控制多孔微观结构是材料开发的重要关键。此外，还表明空心SiC。从角度来看，颗粒作为控制微观结构的布里斯材料是有效的。我们使用气相反应（CVD）方法研究了硅烷-甲烷-氢气系统中空颗粒的形成，结果表明，合成粉末的组成和粒径随反应温度、气体组成、总流量的变化而变化。在富含 Si 成分的粉末中，一些过量的 Si 溶解在 β-SiC 中，但其余部分仍保留在颗粒核心中未反应。在富含C成分的粉末中，几乎所有颗粒都是空心的，但X射线衍射分析表明，过量的C不会溶解在β-SiC中，而是作为非晶相分散在空心颗粒的壳中。相信通过在这些粉末中添加适当的添加剂并进行烧结，未来将有可能控制多孔微观结构。