多孔質傾斜機能熱電材料の製作と最適化

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多孔質熱電素子を用いたガス燃焼による発電システムが提案されている。多孔質熱電素子の特性は熱電特性だけでなく、空隙率、透過率、界面積といった多孔質の特性も重要である。本研究では、多くが脆性材料である熱電材料の多孔質化プロセス、傾斜化プロセスとその最適化の手法の確立を目指している。多孔質熱電素子では、高温部は耐熱性が要求され、素子内には大きな温度勾配が生じる。単一の材料でこの条件を満たすことは困難であり、耐熱性、熱電特性の両面から傾斜機能化による多孔質熱電素子の性能向上が期待される。耐熱性に優れたFeSi2、中温度域で高い熱電特性を示すPbTe、低温で高い特性の(Bi,Sb)2Te3を基本として、傾斜機能多孔質熱電素子FeSi2/(Bi,Sb)2Te3、FeSi2/PbTe/(Bi,Sb)2Te3の試作を行った。ホットプレス法では、熱電材料FeSi2、PbTe、(BiSb)2Te3の多孔質素子を試作し、燃焼により熱電素子として機能することを確認した。適切な焼結温度・時間を組み合わせることにより、多孔質が形成されることが分かった。多孔質FeSi2の透過率の測定結果により、ガス燃焼型の多孔質熱電素子として機能する透過率を有していることを確認した。また、多孔質の比抵抗(見かけの比抵抗)はバルク材と同じオーダーであり、粒子間のネックが十分に形成されていると考えられる。通常の焼結法による多孔質化が困難なPbTeなどの脆性材料の充填率を制御できるようにするため焼結法の改良を図った。この改良したホットプレス方法では充填率が制御でき、最大で40%の空隙率を有するPbTe多孔質が形成できた。さらに、熱電能あるいは性能指数を傾斜化した素子だけでなく、空隙率の傾斜化による多孔質熱電素子を用いることにより、素子内の温度分布の最適化も図れる可能性を見いだした。