JP2002368291A - 熱電材料 - Google Patents
熱電材料Info
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- JP2002368291A JP2002368291A JP2001168515A JP2001168515A JP2002368291A JP 2002368291 A JP2002368291 A JP 2002368291A JP 2001168515 A JP2001168515 A JP 2001168515A JP 2001168515 A JP2001168515 A JP 2001168515A JP 2002368291 A JP2002368291 A JP 2002368291A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 低比抵抗で高パワーファクターを有するn型
熱電材料を創生する。 【解決手段】 Mg2Siの構成元素であるMg、Si
粉末にAl粉末を混合してプラズマ焼結させ、AlをM
g2Si結晶中のMgと置換固溶させることによって単
体材料よりも一桁以上比抵抗が低く、6倍以上のパワー
ファクターを有する複合熱電材料となる。
熱電材料を創生する。 【解決手段】 Mg2Siの構成元素であるMg、Si
粉末にAl粉末を混合してプラズマ焼結させ、AlをM
g2Si結晶中のMgと置換固溶させることによって単
体材料よりも一桁以上比抵抗が低く、6倍以上のパワー
ファクターを有する複合熱電材料となる。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はMg−Si化合物半
導体熱電材料に関するものである。
導体熱電材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術】地球温暖化防止のための一手段として焼
却炉やエンジン等の熱機関、および暖房、厨房機器など
から排出される熱の一部を、熱電発電により電気エネル
ギーとして回収する試みが盛んに検討されるようになっ
た。特に車社会の現代では、エンジン廃熱量は無視でき
ないほど多量であり、自動車メーカーではBi−Te系
およびSi−Ge系熱電材料による回収実験を試みてい
る(日産自動車(株)生駒らの発表:熱電変換シンポジ
ウム'98 pp60-61、International Conference onThermo
electrics '98 pp464-467)。
却炉やエンジン等の熱機関、および暖房、厨房機器など
から排出される熱の一部を、熱電発電により電気エネル
ギーとして回収する試みが盛んに検討されるようになっ
た。特に車社会の現代では、エンジン廃熱量は無視でき
ないほど多量であり、自動車メーカーではBi−Te系
およびSi−Ge系熱電材料による回収実験を試みてい
る(日産自動車(株)生駒らの発表:熱電変換シンポジ
ウム'98 pp60-61、International Conference onThermo
electrics '98 pp464-467)。
【0003】近年の環境保護活動の活発化により、熱電
材料も環境負荷の軽い、すなわち毒性を有しないものに
注目が集まっているが、自動車廃熱の回収には更に、軽
量で高い熱電変換効率を有し、資源的に豊富な材料が求
められている。したがって、高い変換効率を有するが毒
性が強く、資源の枯渇が懸念されているBi−Te系熱
電材料はこの用途に最適な材料とは言えない。また、無
毒で比較的高性能であるSi−Ge系熱電材料もGeの
埋蔵量が少なく高価であるため、自動車等の民生機器へ
適用させるには難がある。
材料も環境負荷の軽い、すなわち毒性を有しないものに
注目が集まっているが、自動車廃熱の回収には更に、軽
量で高い熱電変換効率を有し、資源的に豊富な材料が求
められている。したがって、高い変換効率を有するが毒
性が強く、資源の枯渇が懸念されているBi−Te系熱
電材料はこの用途に最適な材料とは言えない。また、無
毒で比較的高性能であるSi−Ge系熱電材料もGeの
埋蔵量が少なく高価であるため、自動車等の民生機器へ
適用させるには難がある。
【0004】これに対してMnSi1.73はSi−Ge系
材料よりも僅かに性能面で見劣りするが、環境負荷が軽
いだけでなく資源も豊富で安価であるため、民生機器へ
の適用が期待されるp型熱電材料である。このMnSi
1.73と対で使用するn型には、同じく環境負荷が軽く、
しかも軽量なMg2Siが最有力候補とみなされている
が、比抵抗が高いため性能指数が低い。
材料よりも僅かに性能面で見劣りするが、環境負荷が軽
いだけでなく資源も豊富で安価であるため、民生機器へ
の適用が期待されるp型熱電材料である。このMnSi
1.73と対で使用するn型には、同じく環境負荷が軽く、
しかも軽量なMg2Siが最有力候補とみなされている
が、比抵抗が高いため性能指数が低い。
【0005】この欠点を改善すべく、Mg2SiとCu
短繊維を複合化する試み(名古屋工業技術研究所 杉山
らの発表:熱電変換シンポジウム2000 pp22-23)が行わ
れたが、実用材料の領域に至っていないのが現状であ
る。
短繊維を複合化する試み(名古屋工業技術研究所 杉山
らの発表:熱電変換シンポジウム2000 pp22-23)が行わ
れたが、実用材料の領域に至っていないのが現状であ
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高パ
ワーファクターを有するMg−Si系n型熱電材料を提
供するものである。
ワーファクターを有するMg−Si系n型熱電材料を提
供するものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明の熱電材料は、M
g−Si化合物半導体とこれに固溶したAlとからな
る。
g−Si化合物半導体とこれに固溶したAlとからな
る。
【0008】Mg2Siの比抵抗を低減させるためにIII
b族のAlをMg2Si結晶中のMg原子の一部と置換
固溶させ、低比抵抗と適度な熱電能を有する高パワーフ
ァクターのn型熱電材料を創生したものである。
b族のAlをMg2Si結晶中のMg原子の一部と置換
固溶させ、低比抵抗と適度な熱電能を有する高パワーフ
ァクターのn型熱電材料を創生したものである。
【0009】
【発明の作用・効果】Mg2SiのMg原子の一部とA
l原子が置換することによってn型熱電半導体のキャリ
アである電子がAl原子より放出され、半導体中のキャ
リア濃度が増加する。この現象はMg2Si本来の熱電
能を低下させるが、それ以上に比抵抗を低下させる。こ
のため、熱電材料の発電能力の指標のひとつであるパワ
ーファクターが飛躍的に向上する。
l原子が置換することによってn型熱電半導体のキャリ
アである電子がAl原子より放出され、半導体中のキャ
リア濃度が増加する。この現象はMg2Si本来の熱電
能を低下させるが、それ以上に比抵抗を低下させる。こ
のため、熱電材料の発電能力の指標のひとつであるパワ
ーファクターが飛躍的に向上する。
【0010】
【実施例】出発原料として純度99.9%のMg粉末、
純度99.9%のSi粉末及び純度99.9%のAl粉
末からMg66.598Al0.064Si33.338、Mg
66.557Al0.107Si33.336 、Mg66.512Al0.149
Si33.339 及びMg66.470Al0.192Si33.338なる
4種類の異なる組成の混合粉末を調製した。
純度99.9%のSi粉末及び純度99.9%のAl粉
末からMg66.598Al0.064Si33.338、Mg
66.557Al0.107Si33.336 、Mg66.512Al0.149
Si33.339 及びMg66.470Al0.192Si33.338なる
4種類の異なる組成の混合粉末を調製した。
【0011】次にこれらの混合粉末をカーボンの型に充
填し、放電プラズマ焼結装置を用いて50Mpaの圧力
下で300秒間、1073Kの温度で加熱し、焼結試料
を作製した。焼結試料の電気的性能は、真空理工株式会
社の熱電特性測定装置ZEM−1で測定した。
填し、放電プラズマ焼結装置を用いて50Mpaの圧力
下で300秒間、1073Kの温度で加熱し、焼結試料
を作製した。焼結試料の電気的性能は、真空理工株式会
社の熱電特性測定装置ZEM−1で測定した。
【0012】図1、図2及び図3に、Al添加量を変え
た4種類の焼結試料を373K(100℃)に加熱した
ときの熱電能α、比抵抗 ρ及びパワーファクターpを
示した。図1、図2及び図3はいずれも横軸にAl添加
量を。縦軸にそれぞれ熱電能、被抵抗及びパワーファク
ターを取ったもので、いずれも材料加熱温度100℃に
おける値である。
た4種類の焼結試料を373K(100℃)に加熱した
ときの熱電能α、比抵抗 ρ及びパワーファクターpを
示した。図1、図2及び図3はいずれも横軸にAl添加
量を。縦軸にそれぞれ熱電能、被抵抗及びパワーファク
ターを取ったもので、いずれも材料加熱温度100℃に
おける値である。
【0013】Alを僅か0.06at%添加しただけ
で、熱電能は無添加のMg2Siの1/2以下に低下し
たが、比抵抗が1/10以下に低下したため、p=α2/
ρより求められるパワーファクターは無添加Mg2Si
の6倍以上になった。
で、熱電能は無添加のMg2Siの1/2以下に低下し
たが、比抵抗が1/10以下に低下したため、p=α2/
ρより求められるパワーファクターは無添加Mg2Si
の6倍以上になった。
【0014】図4は、Al無添加のMg2Si(0at
%Al)とMg2SiにAlを置換固溶させる目的で作
製した前記(0.064at%Al)、(0.10
7at%Al)、(0.149at%Al)および
(0.192at%Al)の試料の加熱温度に対する比
抵抗の変化を示したものである。横軸に温度T(K)を
縦軸に比抵抗ρ(Qm)を取った。
%Al)とMg2SiにAlを置換固溶させる目的で作
製した前記(0.064at%Al)、(0.10
7at%Al)、(0.149at%Al)および
(0.192at%Al)の試料の加熱温度に対する比
抵抗の変化を示したものである。横軸に温度T(K)を
縦軸に比抵抗ρ(Qm)を取った。
【0015】Al無添加材のキャリア伝達機構がポッピ
ング伝導であることを示しているのに対して、作製した
Al添加の4種類の試料は明らかに伝導機構が変化して
いることを表している。
ング伝導であることを示しているのに対して、作製した
Al添加の4種類の試料は明らかに伝導機構が変化して
いることを表している。
【0016】このことは、狙い通りに、添加したAl原
子がMg2Siに固溶されたことを示している。Mg2S
i結晶へのAlの固溶量は図1および図3より0.14
9at%近傍であることが分かるが、図2のAl添加量
対比抵抗の関連からは、Al添加量の増加に伴い僅かで
はあるが比抵抗が減少している。
子がMg2Siに固溶されたことを示している。Mg2S
i結晶へのAlの固溶量は図1および図3より0.14
9at%近傍であることが分かるが、図2のAl添加量
対比抵抗の関連からは、Al添加量の増加に伴い僅かで
はあるが比抵抗が減少している。
【0017】このことは0.2at%Al以上を添加し
たMg2Siでは、固溶しきれない余剰のAlが結晶組
織中に析出している可能性を示唆している。
たMg2Siでは、固溶しきれない余剰のAlが結晶組
織中に析出している可能性を示唆している。
【0018】図6は、図5に示す方法でMg2Siに多
量のAlを複合化させることを目的に作製した、試料の
温度T(K)に対するパワーファクターP(10-3W/
mK 2)を測定したものである。試料の組成は各々、
Mg2Si+2Vol%Al、Mg2Si+3Vol%
Al及びMg2Si+5Vol%Alの3種類であ
る。なお、比較のためにAl無添加の結果も合わせて図
6に示した。
量のAlを複合化させることを目的に作製した、試料の
温度T(K)に対するパワーファクターP(10-3W/
mK 2)を測定したものである。試料の組成は各々、
Mg2Si+2Vol%Al、Mg2Si+3Vol%
Al及びMg2Si+5Vol%Alの3種類であ
る。なお、比較のためにAl無添加の結果も合わせて図
6に示した。
【0019】製造方法は、図5に示されているように、
Mg2Si焼結体を乳鉢で粉砕したもの(粒径40〜3
00μm)とと純Al粉末を粉砕したものとを用いた。
これらを所定量混合し、得られた混合物を放電プラズマ
焼結(873K、50MRa)して得たものである。
Mg2Si焼結体を乳鉢で粉砕したもの(粒径40〜3
00μm)とと純Al粉末を粉砕したものとを用いた。
これらを所定量混合し、得られた混合物を放電プラズマ
焼結(873K、50MRa)して得たものである。
【0020】図3及び図6の結果から、Al添加量が
0.149at%以降3Vol%までは電気特性、特に
発電能力の総合指標のひとつであるパワーファクターに
ほとんど変化がないことが分かった。このことは、Mg
2Si+Alなる高性能熱電材料を大量に製造する量産
システムにおいて、Al添加量の管理をさほど精密に行
わなくとも、安定した熱電特性の製品を製造することが
できることを示している。すなわち、工業製品の製造に
とっては大変有利な性質を備えた材料であり、低生産コ
ストでの製造を可能にするものであるといえる。
0.149at%以降3Vol%までは電気特性、特に
発電能力の総合指標のひとつであるパワーファクターに
ほとんど変化がないことが分かった。このことは、Mg
2Si+Alなる高性能熱電材料を大量に製造する量産
システムにおいて、Al添加量の管理をさほど精密に行
わなくとも、安定した熱電特性の製品を製造することが
できることを示している。すなわち、工業製品の製造に
とっては大変有利な性質を備えた材料であり、低生産コ
ストでの製造を可能にするものであるといえる。
【0021】しかしながら、Mg2Si結晶組織中への
多量なAlの析出は材料本来の熱伝導率を上昇させ、熱
電性能の総合指標である性能指数Zを低下させることに
つながる。
多量なAlの析出は材料本来の熱伝導率を上昇させ、熱
電性能の総合指標である性能指数Zを低下させることに
つながる。
【0022】図7は、Mg2.0Si結晶と前記〜の
3種類の試料のX線粉末回折パターンである。この図か
ら明らかなように、〜の3種類の試料全てに金属A
lの析出が確認された。
3種類の試料のX線粉末回折パターンである。この図か
ら明らかなように、〜の3種類の試料全てに金属A
lの析出が確認された。
【0023】図8は、これらの試料のSEM像およびE
PAMの分析結果である。SEM像における白い点が金
属Alの析出を示唆しており、同視野内のEPMA面分
析でのAlの分散状況は、結晶組織、特に粒界近傍への
金属Alの析出を証明している。以上の結果から、総合
性能指数であるZを高めるためのMg2SiへのAl添
加量の限界値は、0.2at%以下であることが分か
る。
PAMの分析結果である。SEM像における白い点が金
属Alの析出を示唆しており、同視野内のEPMA面分
析でのAlの分散状況は、結晶組織、特に粒界近傍への
金属Alの析出を証明している。以上の結果から、総合
性能指数であるZを高めるためのMg2SiへのAl添
加量の限界値は、0.2at%以下であることが分か
る。
【0024】図9は、代表的なSi化合物熱電半導体と
Al最適添加量0.149at%のMg2Siのパワー
ファクターを比較したものである。実用化が進められつ
つあるSi−Ge熱電半導体を凌ぐ性能を有しているだ
けでなく、軽量で安価であることも見逃せない利点であ
る。
Al最適添加量0.149at%のMg2Siのパワー
ファクターを比較したものである。実用化が進められつ
つあるSi−Ge熱電半導体を凌ぐ性能を有しているだ
けでなく、軽量で安価であることも見逃せない利点であ
る。
【0025】なお、Mg2SiのSiの一部をGeで置
換することにより熱電率を低減させることが可能(図1
0)であり、性能指数Zを更に向上できる可能性があ
る。
換することにより熱電率を低減させることが可能(図1
0)であり、性能指数Zを更に向上できる可能性があ
る。
【図1】Mg2SiへのAl添加量と熱電能αの関係を
示した図である。
示した図である。
【図2】Mg2SiへのAl添加量と比抵抗ρの関係を
示した図である。
示した図である。
【図3】Mg2SiへのAL添加量とパワーファクター
Pの関係を示した図である。
Pの関係を示した図である。
【図4】Al無添加Mg2Siおよび0.06at%A
l、0.107at%Al、0.149at%Al、
0.192at%Alを添加した5種類のMg2Si焼
結熱電材料の加熱温度に対する比抵抗の変化を表した図
である。
l、0.107at%Al、0.149at%Al、
0.192at%Alを添加した5種類のMg2Si焼
結熱電材料の加熱温度に対する比抵抗の変化を表した図
である。
【図5】Al過剰添加Mg2Si焼結熱電材料の作製手
順を表した図である。
順を表した図である。
【図6】2Vol%Al、3Vol%Alおよび5Vo
l%Alなる3種類のAl過剰添加Mg2Si熱電材料
の加熱温度に対するパワーファクターの変化を表した図
である。
l%Alなる3種類のAl過剰添加Mg2Si熱電材料
の加熱温度に対するパワーファクターの変化を表した図
である。
【図7】2Vol%Al、3Vol%Alおよび5Vo
l%Alなる3種類のAl過剰添加Mg2Si熱電材料
の粉末X線回折パターンを表した図である。
l%Alなる3種類のAl過剰添加Mg2Si熱電材料
の粉末X線回折パターンを表した図である。
【図8】Al過剰添加Mg2Si結晶組織中の金属Al
の析出状況を表した写真である。
の析出状況を表した写真である。
【図9】代表的なSi系熱電材料とMg66.512Al
0.149Si33.339(発明組成)熱電材料の性能比較を表
した図である。
0.149Si33.339(発明組成)熱電材料の性能比較を表
した図である。
【図10】代表的なSi系熱電材料とMg66.512Al
0.149Si33.339(発明組成)熱電材料の熱伝導率の比
較を表した図である。Mg2SiにGeを添加するこで
熱伝導率が1/3以下に低減できることを表している。
0.149Si33.339(発明組成)熱電材料の熱伝導率の比
較を表した図である。Mg2SiにGeを添加するこで
熱伝導率が1/3以下に低減できることを表している。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岩元 孝史 岐阜県多治見市大畑町3−1 東京窯業株 式会社内
Claims (4)
- 【請求項1】 Mg−Si化合物半導体にAlを複合添
加したことを特徴とする熱電材料。 - 【請求項2】 前記Alの添加量は0.064at%〜
0.2at%である請求項1記載の熱電材料。 - 【請求項3】 前記Mg−Si化合物半導体はMg2S
iである請求項1記載の熱電材料。 - 【請求項4】 Mg−Si化合物半導体にAl及びGe
を複合添加したことを特徴とする熱電材料。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001168515A JP2002368291A (ja) | 2001-06-04 | 2001-06-04 | 熱電材料 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001168515A JP2002368291A (ja) | 2001-06-04 | 2001-06-04 | 熱電材料 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2002368291A true JP2002368291A (ja) | 2002-12-20 |
Family
ID=19010734
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001168515A Pending JP2002368291A (ja) | 2001-06-04 | 2001-06-04 | 熱電材料 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
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Cited By (10)
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EP2690064A1 (en) * | 2011-03-25 | 2014-01-29 | National Institute for Materials Science | Inorganic-compound particles and process for producing same |
KR101365251B1 (ko) * | 2009-07-27 | 2014-02-20 | 다우 코닝 도레이 캄파니 리미티드 | 알루미늄ㆍ마그네슘ㆍ규소 복합재료 및 그 제조 방법, 그리고 이 복합재료를 이용한 열전변환 재료, 열전변환 소자, 및 열전변환 모듈 |
US9340431B2 (en) | 2011-03-25 | 2016-05-17 | National Institute For Materials Science | Inorganic-compound particles and process for producing same |
JP2018148037A (ja) * | 2017-03-06 | 2018-09-20 | 昭和電線ケーブルシステム株式会社 | 熱電変換モジュール |
WO2020137205A1 (ja) * | 2018-12-26 | 2020-07-02 | 三菱マテリアル株式会社 | 熱電変換材料、熱電変換素子、及び、熱電変換モジュール |
WO2020149304A1 (ja) | 2019-01-18 | 2020-07-23 | 東ソー株式会社 | 珪化物系合金材料及びそれを用いた熱電変換素子 |
WO2021235371A1 (ja) | 2020-05-19 | 2021-11-25 | 東ソー株式会社 | 珪化物系合金材料及びそれを用いた素子 |
-
2001
- 2001-06-04 JP JP2001168515A patent/JP2002368291A/ja active Pending
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US9340431B2 (en) | 2011-03-25 | 2016-05-17 | National Institute For Materials Science | Inorganic-compound particles and process for producing same |
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WO2013047474A1 (ja) * | 2011-09-26 | 2013-04-04 | 学校法人東京理科大学 | 焼結体、熱電変換素子用焼結体、熱電変換素子及び熱電変換モジュール |
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