客观日本

东京都市大学开发出可将汽车废热转换成电力的新材料

2019年11月25日 化学材料

东京都市大学工学部机械工学科的讲师丸山惠史利用可通过温差发电的热电材料使用的“碳化硼”,开发出了能以比原来低300度的温度合成制作的新材料。

“碳化硼”等硼类材料已被证实在实验室水平下具有高热电性能,但由于其“易碎”且“难以烘烤硬化”,因此利用以往的制作方法时,要想制作实用尺寸的零部件,需要在近2000度的高温下进行烘烤硬化。

利用碳化硼制作零部件时,需要对原料粉末进行成型,并在近2000度的高温下烘烤硬化,但此次采用名为放电等离子烧结法的新技术,按重量比在原料粉末中混合了10~15%的金属,由此降低了粉末表面的熔融温度,将烧结温度降至约1700度(共晶反应)。

另外,通过混合金属,电导率提高至约1.5倍,作为热电材料实现了超过预期的优异特性。

碳化硼具有p型半导体的性质,即由电子的空穴(Hole)传输电力。要想开发高性能热电转换器件,需要结合p型半导体和由电子传输电力的n型半导体。作为n型半导体,丸山讲师还在合成具有高性能的金属硼化合物。已通过研究确认,这种材料通过混合其他金属也能降低烧结温度。丸山讲师还试制了组合使用p型和n型半导体的热电转换器件,目前正进行性能评估和旨在提高特性的研究。

相关研究成果已在10月27日至11月1日举行的“第13届环太平洋陶瓷会议(PACRIM13:The 13th Pacific Rim Conference of Ceramic Societies)”上发布。

研究成果的社会贡献及未来展望

硼类材料的重量比作为热电转换器件实现实用化的碲化铋类化合物轻60%左右,而且最大能在800度左右的温度下稳定使用。

硼类热电元件一旦制成,应用范围非常广,比如汽车和工厂的热机等,而且任何规模均可使用,因此应该还可以在现有的发电站中追加使用。热电发电与光伏发电和风力发电一样,是一种清洁发电法,但由于不以自然为能源,有望实现稳定的发电。

除作为热电发电材料使用外,碳化硼的硬度与典型的超硬材料碳化钨不相上下,而重量可降至其五分之一左右。如果能以低成本制作,还有望应用于超硬模具等。

东京都市大学开发出可将汽车废热转换成电力的新材料

利用p型碳化硼类材料和n型硼类材料实际进行发电实验

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文:JST客观日本编辑部翻译整理

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