熱電応用のための高エントロピー合金

はじめに

高エントロピー合金(HEA)は、そのユニークな特性により、高温熱電応用のための有望な材料として最近浮上してきた。ここでは、熱電用途にHEAを使用する利点をいくつか紹介します。高エントロピー合金の特徴と用途について、より深くご理解いただけることを願っています。

高エントロピー合金とは？

高エントロピー合金は、少なくとも5つの元素を含み、その比率が等しいか、ほぼ等しい合金の一種です。従来の合金と比較すると、単一の基本元素を持たず、複数の主要元素で構成されています。このようなユニークな組成は、無秩序構造、高エントロピー、そして最も重要なこととして、卓越した特性と応用をもたらす。

HEAは、従来の合金にはないユニークで印象的な特性で際立っている。これらの特性には、高強度、優れた延性、高導電性、優れた熱安定性が含まれる。これらの合金は、優れた耐摩耗性、耐食性、高温特性も有しており、過酷な環境における理想的な材料となっている。

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図1.高エントロピー合金の例

このような構造的・機能的特性を持つ高エントロピー合金は、航空宇宙、自動車、バイオメディカルなど様々な用途に使用されている。この記事では、特に熱電材料として使用される高エントロピー合金について説明します。

熱電材料とは？

サーモエレクトリック（TE）技術の人気は、エネルギー需要が絶えず増加するにつれて急速に高まっています。ひとつには、増大するエネルギー需要を満たすために、大量の再生可能エネルギーが利用されているからです。もうひとつは、廃熱のエネルギーを利用できるため、TE技術は魅力的な選択肢であるということです。また、TE材料は動作サイズが小さく、固体冷却、ポータブル・ウェアラブル・エレクトロニクスなどに応用できる。

TE技術では、廃熱エネルギーを電力に直接変換するために、幅広い先端材料が採用されている。一般的な熱電材料は、ジントール、ホイスラー、SiGe、MgSi、クラスレート、CoSb3-Baなどである。Pb(Te、Se、S)-SeTe、SiGe、スクッテルダイトも有用である。[しかし、高温特性を持つ新たな最先端TE材料として、様々な高エントロピー合金が出現している。

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図 2.TE材料の例

高エントロピー合金が熱電応用に適している理由

高エントロピー合金は、以下のような特徴から、熱電応用に非常に適している。

--高い熱安定性

第一に、構成エントロピーが高いため、原子がランダムに分布し、高い熱安定性を示します。この無秩序な構造は、高温でも相変態の発生を抑え、HEAを熱電用途に優れた材料にしている。

--高い熱伝導性

第二に、その金属的性質が高い熱伝導性を決定づけ、高い電子移動度と熱の流れに対する低い抵抗をもたらす。このため、HEAは優れた熱電材料となる。熱電用途では、熱伝達効率を高めるために高い熱伝導率が求められるからである。

--高い電気伝導性

熱特性とは別に、HEAは高い電気伝導性を示し、熱を電気に効率よく変換することができる。そのため、HEAは熱電発電のための優れた選択肢となる。

--低熱膨張係数

HEAは原子配列がランダムなため、熱膨張率が低い。このため、熱応力や変形が起こりにくく、熱電材料として優れています。

--機械的特性の向上

さらに、無秩序構造は、高い強度や延性といったHEAの機械的特性の向上につながる。このような機械的特性により、HEAは高温熱電用途に最適な材料となる。

結論

一言で言えば、HEAは、高い熱安定性、高い熱伝導率および電気伝導率、低い熱膨張係数、強化された機械的特性など、熱電用途に数多くの利点を提供します。これらのユニークな特性により、HEAは従来の熱電材料に代わる有望な材料となり、より効率的で耐久性のある熱電デバイスの開発につながる可能性がある。

スタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）は、高エントロピー合金の信頼できるサプライヤーです。サーモエレクトリック用途や3Dプリンティングなどに使用される高品質のHEAがたくさんあります。様々な形状のHEAもご用意しております。ご興味のある方はお問い合わせください。

参考文献

[1] Saro San, Yang Tong, Hongbin Bei, Boopathy Kombaiah, Yanwen Zhang, Wai-Yim Ching, First-principles calculation of lattice distortions in four single phase high entropy alloys with experimental validation,Materials & Design,Volume 209, 2021, 110071, ISSN 0264-1275,https://doi.org/10.1016/j.matdes.2021.110071.

[2] Shafeie, Samrand & Guo, Sheng.(2020).高温熱電応用における高エントロピー合金の選択と使用の利点.10.1201/9780367374426-16.

[3] Zeng, Minxiang & Zavanelli, Duncan & Chen, Jiahao & Saeidi-Javash, Mortaza & Du, Yipu & LeBlanc, Saniya & Snyder, G. & Zhang, Yanliang.(2021).Printing thermoelectric inks towards next-generation energy and thermal devices.Chemical Society Reviews.51.10.1039/d1cs00490e.