MA-PDSプロセスによるBi-Sb-Te熱電材料の開発

摘要

Bi{sub}2Te{sub}3，Sb{sub}2Te{sub}3およびそれらの固溶体の（Bi，Sb）{sub}2Te{sub}3 系熱電材料は，室温付近で使用される熱電冷却素子として期待され，長い間研究が行われてきた．熱電素子の能力の目安として，Z=S{sup}2σ/Kとして定義される性能指数が用いられる．ここで，Sはゼーペック係数，αは電気伝導率，そしてKは熱伝導率である．現在，Bi{sub}2Te{sub}3を基本組成とするバルクの熱電材料は，主に一方向凝固法と粉末冶金法等によって作製されている．粉末冶金法はバルク熱電材料の作製に有効な技術の一つである．粉末冶金法は，合金化された粉末を圧粉し，焼結することにより超微細結晶構造を持つ級密な焼結体を得ることができる．メカニカルアロイング（mechanical alloying：MA）過程では，各々原料素粉末がミリング中にボールの衝撃·圧縮力を受け，塑性変形，破砕，冷間溶接される．つまり，ボール間に挟まれた粉末粒子が衝撃·圧縮力を受け，塑性変形し，活性な新しい界面を形成し，活性な界面同士が冷間圧接によりラメラ構造を持つ粒子が形成される．この粒子が塑性変形，冷間圧接および破砕を繰り返すことにより，ラメラ間隔が原子レベルまで短くなり，固相状態で拡散が生じ，均一で超微細な組織を有する合金粉末が形成される．合金粉末の固化には，一般的な冷間·熱間プレス法と異なる，パルス通電加圧焼結法（pulse discharge sintering：PDS）という新しい固化プロセスを用いた．このプロセスはホットプレス法に比べ，低温，短時間でほぼ理論密度に近い焼結体を作製することが可能である．以上のように，メカニカルアロイングとパルス通電加圧焼結を組み合わせた新しいプロセスを導入することにより，超微細な組織をもつ焼結体の作製が可能になる．本稿では，Bi2Te3を基本組成とする熱電材料の開発において，MA－PDSプロセスの研究の現状を簡単に紹介する．