急速凝固法を利用した高熱電材料の開発と物性

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[目的]優れた熱電能特性をもってβーFeSi_2は凝固した状態では通常存在せず、熱処理によって生成される相である。通常の凝固法では粗大な凝固組織をもつため、β相生成の熱処理が800℃で数10時間から100時間程度要している。本研究では急速凝固法によって組織を微細かつ均一にすることによって熱処理時間を短縮させることなどを目的とした。[方法]P型の熱電能特性を得るために、1,3at%Mnを添加した急冷凝固粉末を回転水噴霧法で作成した。噴霧されたままの試料とそれらを一定の温度で種々の時間熱処理を行なった試料の組織と生成相をSEMとX線回折法によって調べた。また、新たに試料内温度分布を考慮した熱電能測定措置を試作し、一定の速度で昇音させながら熱電能を測定した。[結果]急冷凝固した試料では巾約2μm程度の板状の初晶の-Fe_<1-x>Si_2相とα相とFeSi相の微細共晶からなる組織が得られた。一方、直径約10mmの石英管内で凝固した試料では約50μm程度の粗大なFeSi相が花びら状にα相の地の中に観察された。いづれの試料においてtβ相は認められなかった。熱処理(800℃)によってMn無添加の場合には3.0×10^2sですべてβ相に変態するのに対して徐冷材では4.32×10^5sの熱処理によってもβ相の量は80%程度であり反応が急冷材にくらべて極めて遅いことを示した。これらはSiの拡散が律速しているとすると拡散層の厚さも拡散面積の効果によって説明される。またMnの影響としてはβ相への変態を抑制することが明らかとなったがその理由については明白でない。熱電特性はβ相の量とある程度相関があり、今回急冷効果が熱処理時間の短縮以外にも熱電能に影響を与えるとの期待が外れたが、大巾な時間短縮効果を持たらすことが明らかになった。