JP2003264318A - Method for manufacturing thermoelectric conversion element - Google Patents

Method for manufacturing thermoelectric conversion element

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JP2003264318A
JP2003264318A JP2002062725A JP2002062725A JP2003264318A JP 2003264318 A JP2003264318 A JP 2003264318A JP 2002062725 A JP2002062725 A JP 2002062725A JP 2002062725 A JP2002062725 A JP 2002062725A JP 2003264318 A JP2003264318 A JP 2003264318A
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JP
Japan
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raw material
material powder
conversion element
thermoelectric conversion
partial pressure
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JP2002062725A
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Japanese (ja)
Inventor
Koichi Tanaka
広一 田中
Kenichi Tajima
健一 田島
Masato Fukutome
正人 福留
Kazuhiro Nishizono
和博 西薗
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Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
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Publication date
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a thermoelectric conversion element exhibiting excellent characteristics stably. <P>SOLUTION: Material powder composed of at least two kinds of bismuth, tellurium, antimony and selenium is placed in a furnace, a partial pressure regulating agent containing an element composing the material powder is arranged around the material powder, and then it is subjected to hot isotropic pressure sintering. The element contained in the partial pressure regulating agent is preferably tellurium. <P>COPYRIGHT: (C)2003,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電変換素子の製
造方法に関し、特に、温度制御用、保冷温用として好適
に使用される熱電変換素子の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric conversion element, and more particularly to a method for manufacturing a thermoelectric conversion element that is preferably used for temperature control and cold insulation.

【0002】[0002]

【従来技術】熱電変換素子は、p型半導体とn型半導体
とからなるpn接合対に温度差をつけることにより電気
を発生させる、つまり熱を電気に変換する機能を有する
素子である。また、逆に電流を流すことにより一端が発
熱するとともに他端が吸熱する、いわゆるペルチェ効果
を利用した熱電変換素子は、小型で構造が簡単なため、
フロンレスの冷却装置、光検出素子、半導体製造装置等
の電子冷却素子、レーザーダイオードの温度調節等の温
調装置等のデバイスへの幅広い利用が期待されている。
2. Description of the Related Art A thermoelectric conversion element is an element having a function of generating electricity by making a temperature difference between a pn junction pair made of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor, that is, converting heat into electricity. On the other hand, a thermoelectric conversion element utilizing the so-called Peltier effect, in which one end generates heat and the other end absorbs heat when a current is passed, is small and has a simple structure.
It is expected to be widely used as a device such as a CFC-less cooling device, a photodetector, an electronic cooling device such as a semiconductor manufacturing device, and a temperature control device such as a temperature control of a laser diode.

【0003】これらの熱電半導体素子としては、室温付
近で最も性能が良い熱電変換材料としてBi2Te3、S
2Te3、Bi2Se3等のカルコゲン系化合物、および
これらの固溶体が主に用いられている。
For these thermoelectric semiconductor elements, Bi 2 Te 3 and S are the most effective thermoelectric conversion materials near room temperature.
Chalcogen compounds such as b 2 Te 3 and Bi 2 Se 3 and solid solutions thereof are mainly used.

【0004】このような冷却素子を製造する方法とし
て、所定の割合で混合した原料粉末を溶融して合金化
し、冷却後に取り出した後、粉砕し、得られた合金粉末
を分級、整粒した後、焼結する製造方法が提案されてい
る。
As a method for manufacturing such a cooling element, raw material powders mixed at a predetermined ratio are melted to form an alloy, taken out after cooling, pulverized, and the obtained alloy powder is classified and sized. , A manufacturing method of sintering has been proposed.

【0005】そして、焼結法として、緻密体を容易に得
られることから、熱間等方加圧焼結法が用いられる場合
がある。例えば、平均粒径0.05〜10μmの合金粉
末を成形し、得られた成形体を熱間等方加圧焼結するこ
とが特開平5−206525号公報に提案されている。
As the sintering method, a hot isostatic pressing method may be used because a dense body can be easily obtained. For example, Japanese Patent Laid-Open No. 5-206525 proposes that an alloy powder having an average particle size of 0.05 to 10 μm is molded and the obtained molded body is hot isostatically pressed and sintered.

【0006】また、SUS、17−14CuMo、ST
BA24HCM12、ハステロイ、インコロイ又はイン
コネル製のカプセルを用いて熱間等方加圧焼結すること
により大きなサイズの熱電材料を製造することが特開平
6−216415号公報で提案されている。
In addition, SUS, 17-14CuMo, ST
JP-A-6-216415 proposes to manufacture a thermoelectric material of a large size by hot isostatic pressing and sintering using a capsule made of BA24HCM12, Hastelloy, Incoloy or Inconel.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
5−206525号公報及び特開平6−216415号
公報に記載の方法では、大きなサイズの熱電材料を製造
することができるものの、製造バッチ間で熱電材料の性
能にばらつきがあり、また、同一試料でも部位によって
性能が異なるため、目標とする材料が安定して得られな
いという問題があった。
However, according to the methods described in JP-A-5-206525 and JP-A-6-216415, it is possible to produce a thermoelectric material of a large size, but the thermoelectric material is used between production batches. There is a problem that the target material cannot be obtained stably because the performance of the material varies and the performance of the same sample varies depending on the site.

【0008】従って、本発明は、優れた特性が安定して
得られる熱電変換素子を製造する方法を提供することを
目的とする。
Therefore, it is an object of the present invention to provide a method for producing a thermoelectric conversion element, which can stably obtain excellent characteristics.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明は、特性ばらつき
が組成ばらつきに起因するとともに、焼成時に原料中の
元素、特にテルルが揮散して組成がずれるという原因を
解明し、原料粉末を構成する元素の分圧を調整すること
によって、大型基板の製造であっても、熱電性能及び機
械的強度に優れ、材質が均一で、特性ばらつきが小さい
熱電変換素子を容易に作製できるという知見に基づくも
のである。
According to the present invention, the variation in characteristics is caused by the variation in composition, and the cause that the element in the raw material, especially tellurium is volatilized during firing and the composition is deviated, and the raw material powder is constituted. Based on the finding that by adjusting the partial pressure of elements, it is possible to easily produce a thermoelectric conversion element that has excellent thermoelectric performance and mechanical strength, is made of a uniform material, and has a small variation in characteristics even when manufacturing a large substrate. Is.

【0010】即ち、本発明の熱電変換素子の製造方法
は、ビスマス、テルル、アンチモン及びセレンのうち少
なくとも2種からなる原料粉末を炉内に配置し、該原料
粉末を構成する元素を含む分圧調整剤を前記原料粉末の
周囲に配置して、熱間等方加圧焼結することを特徴とす
るものである。
That is, in the method for producing a thermoelectric conversion element of the present invention, a raw material powder made of at least two kinds of bismuth, tellurium, antimony and selenium is placed in a furnace, and a partial pressure containing elements constituting the raw material powder is placed. The adjusting agent is arranged around the raw material powder and is hot isostatically pressed and sintered.

【0011】特に、前記分圧調整剤に含まれる元素がテ
ルルであることが好ましい。テルルは揮散しやすい傾向
にあるため、これを抑制することにより、均一性の向上
が容易に達成できる。
Particularly, the element contained in the partial pressure adjusting agent is preferably tellurium. Since tellurium tends to volatilize easily, improvement of uniformity can be easily achieved by suppressing it.

【0012】また、前記原料粉末を構成する結晶の平均
アスペクト比が1.5以上であることが好ましい。これ
によって、より結晶が配向した焼結体が得られ、さらに
熱電特性を向上することができる。
The average aspect ratio of the crystals forming the raw material powder is preferably 1.5 or more. As a result, a sintered body in which the crystals are more oriented is obtained, and the thermoelectric properties can be further improved.

【0013】さらに、前記原料粉末を用いて結晶配向度
が25%以上、相対密度が90%以上の成形体を作製
し、しかる後に該成形体を熱間等方加圧焼結することが
好ましい。これによって、より結晶が配向した焼結体が
得られ、さらに熱電素子の特性を向上することができ
る。
Further, it is preferable that a compact having a crystal orientation of 25% or more and a relative density of 90% or more is produced using the raw material powder, and then the compact is hot isostatically pressed and sintered. . As a result, a sintered body in which the crystals are more oriented is obtained, and the characteristics of the thermoelectric element can be further improved.

【0014】前記分圧調整剤を含む金属製の容器に前記
原料粉末を封入し、熱間等方加圧焼結することが好まし
い。また、前記原料粉末の表面にシール層を設け、少な
くとも前記分圧調整剤を含む低融点金属粉末中に埋設
し、該低融点金属を溶融して溶融金属浴を形成して熱間
等方加圧焼結することが好ましい。これらにより、緻密
で熱電特性に優れた熱電変換素子を容易に得ることがで
きる。
It is preferable that the raw material powder is enclosed in a metal container containing the partial pressure adjusting agent, and hot isostatic pressing is performed. Further, a seal layer is provided on the surface of the raw material powder, and the raw material powder is embedded in a low melting point metal powder containing at least the partial pressure adjusting agent, the low melting point metal is melted to form a molten metal bath, and hot isostatic heating Pressure sintering is preferable. Due to these, it is possible to easily obtain a dense thermoelectric conversion element having excellent thermoelectric characteristics.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】本発明の熱電素子の製造方法は、
Bi、Sb、Te、Seのうち少なくとも2種を含む原
料粉末を用いることが重要であり、特に、熱電特性向上
のためA23型金属間化合物を用いることが好ましい。
ここで、AがBi及び/又はSb、BがTe及び/又は
Se型からなる半導体結晶であって、特に組成比B/A
が1.4〜1.6であることが、室温における熱電特性
を高めるために好ましい。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The method for manufacturing a thermoelectric element of the present invention is
It is important to use a raw material powder containing at least two kinds of Bi, Sb, Te and Se, and it is particularly preferable to use an A 2 B 3 type intermetallic compound in order to improve thermoelectric properties.
Here, A is a semiconductor crystal composed of Bi and / or Sb, B is a Te and / or Se type, and a composition ratio B / A is particularly preferable.
Is preferably 1.4 to 1.6 in order to improve thermoelectric properties at room temperature.

【0016】A23型金属間化合物としては、公知であ
るBi2Te3、Sb2Te3、Bi2Se3の少なくとも1
種であることが好ましく、固溶体としてBi2Te3とB
2Se3の固溶体であるBi2Te3-xSex(x=0.
05〜0.25)、又はBi 2Te3とSb2Te3の固溶
体であるBixSb2-xTe3(x=0.1〜0.6)等
を例示できる。
A2B3Known intermetallic compounds of the type
Bi2Te3, Sb2Te3, Bi2Se3At least one of
Seed is preferable, and Bi is used as a solid solution.2Te3And B
i2Se3Is a solid solution of Bi2Te3-xSex(X = 0.
05-0.25), or Bi 2Te3And Sb2Te3Solid solution of
Bi that is the bodyxSb2-xTe3(X = 0.1-0.6) etc.
Can be illustrated.

【0017】また、金属間化合物を効率よく半導体化す
るために、不純物をドーパントとして添加することがで
きる。例えば、原料粉末にI、Cl及びBr等のハロゲ
ン元素を含む化合物を含有せしめることにより、n型半
導体を製造することができる。例えば、AgI、CuB
r、SbI3、SbCl3、SbBr3、HgBr2等を加
えることにより、金属間化合物半導体中のキャリア濃度
を調整することができ、その結果、熱電特性を高めるこ
とが可能となる。
Impurities can be added as dopants in order to efficiently convert the intermetallic compound into a semiconductor. For example, an n-type semiconductor can be manufactured by including a raw material powder with a compound containing a halogen element such as I, Cl and Br. For example, AgI, CuB
By adding r, SbI 3 , SbCl 3 , SbBr 3 , HgBr 2 or the like, the carrier concentration in the intermetallic compound semiconductor can be adjusted, and as a result, thermoelectric characteristics can be improved.

【0018】なお、p型半導体を製造する場合には、キ
ャリア濃度調整のためにTeを添加することができ、n
型半導体と同様に、熱電特性を高めることができる。
When manufacturing a p-type semiconductor, Te can be added to adjust the carrier concentration, and n
Similar to the type semiconductor, the thermoelectric property can be enhanced.

【0019】本発明によれば、原料粉末を構成する元素
を含む分圧調整剤を、原料粉末とともに炉内に配置して
熱間等方加圧焼結(以下、HIPと言うことがある)す
ることが重要である。即ち、分圧調整剤が、原料粉末を
構成する元素であるビスマス、テルル、アンチモン及び
セレンのうち少なくとも1種の元素を含むことが、安定
した特性を得るために好ましい。これらの元素のうち、
テルルは蒸発しやすいため、圧力調整剤に含まれている
ことがより好ましい。
According to the present invention, the partial pressure adjusting agent containing the element constituting the raw material powder is placed in the furnace together with the raw material powder, and hot isostatic pressing is performed (hereinafter sometimes referred to as HIP). It is important to. That is, it is preferable that the partial pressure adjusting agent contains at least one element selected from bismuth, tellurium, antimony, and selenium, which are elements constituting the raw material powder, in order to obtain stable characteristics. Of these elements,
Since tellurium easily evaporates, it is more preferable that it is contained in the pressure adjusting agent.

【0020】HIPの高温保持中に、成形体から気化、
揮散する成分があると、成形体と焼結体との組成が大き
く異なり、所望の組成を有する焼結体が得られない。そ
こで、分圧調整剤を原料粉末とともに焼成することによ
り、成形体中の成分の気化、揮散を抑制しつつ焼結させ
ることができる。
While the HIP is kept at a high temperature, it vaporizes from the molded body,
If there is a component that volatilizes, the composition of the molded body and the composition of the sintered body differ greatly, and a sintered body having the desired composition cannot be obtained. Therefore, by firing the partial pressure adjusting agent together with the raw material powder, it is possible to perform sintering while suppressing vaporization and volatilization of the components in the molded body.

【0021】また、焼結体の結晶配向度を向上すること
によって熱電変換素子の特性を改善し、冷熱性能を高め
るため、前記原料粉末を構成する結晶のアスペクト比の
平均を1.5以上、特に2以上にすることが好ましい。
原料粉末のアスペクト比の平均を1.5以上に高め、こ
れをHIPすることにより、焼結体中の結晶配向度を容
易に高めることができる。その結果、冷熱性能に優れた
焼結体を得ることができる。
Further, in order to improve the characteristics of the thermoelectric conversion element and enhance the cooling and heating performance by improving the crystal orientation of the sintered body, the average aspect ratio of the crystals constituting the raw material powder is 1.5 or more, It is particularly preferable that the number is 2 or more.
By increasing the average aspect ratio of the raw material powder to 1.5 or more and HIPing it, the degree of crystal orientation in the sintered body can be easily increased. As a result, a sintered body having excellent cold heat performance can be obtained.

【0022】成形体の結晶配向度は25%以上、特に3
0%以上、更には35%以上であることが好ましい。成
形体の結晶配向度を高めることにより、熱電変換特性を
向上することができる。勿論、成形体の配向度を焼結体
まで維持することが好ましいことは言うまでもない。
The crystal orientation of the molded body is 25% or more, especially 3
It is preferably 0% or more, and more preferably 35% or more. The thermoelectric conversion characteristics can be improved by increasing the crystal orientation of the molded body. Of course, it goes without saying that it is preferable to maintain the degree of orientation of the molded body up to the sintered body.

【0023】なお、本発明における配向度とは、X線回
折により得られたI(006)、I(015)、I(0015)のピーク
強度をそれぞれ求め、これらのピーク強度の和に対し、
(0 06)とI(0015)の割合を示し、以下の式で与えられ
るfを百分率で表したものである。 f=I(006)+I(0015)/I(006)+I(015)+I(0015) 成形体の相対密度は90%以上、特に95%以上、更に
は97%以上であることが好ましい。成形体の相対密度
が高い場合、そのまま熱間等方加圧焼結することができ
るが、そのまま冷間静水圧プレスで成形してさらに相対
密度を高め、焼結性を向上させることもできる。
The orientation degree in the present invention means the peak intensities of I (006) , I (015) and I (0015) obtained by X-ray diffraction, and the sum of these peak intensities
I (0 06) and indicates the ratio of I (0015), it illustrates a f given by the following equation as a percentage. f = I (006) + I (0015) / I (006) + I (015) + I (0015) The relative density of the molded body is preferably 90% or more, particularly 95% or more, and further preferably 97% or more. When the molded body has a high relative density, it can be hot isostatically pressed as it is, but it can be molded as it is by a cold isostatic press to further increase the relative density and improve the sinterability.

【0024】次に、具体的な熱電変換素子の製造方法に
ついて述べる。
Next, a specific method for manufacturing a thermoelectric conversion element will be described.

【0025】上記の出発原料を、所望の割合十分に混合
する。そして、所望により、得られた混合粉末を成形す
る。成形法には周知の方法を用いることができる。例え
ば、一軸プレス法、ラバープレス法、冷間静水圧プレス
法、排泥成形法、加圧鋳込み法、固形鋳込み法、押し出
し成形法、射出成形法のうち少なくとも1種を用いるこ
とができる。
The above starting materials are thoroughly mixed in the desired proportions. Then, if desired, the obtained mixed powder is molded. A known method can be used for the molding method. For example, at least one of a uniaxial pressing method, a rubber pressing method, a cold isostatic pressing method, a sludge molding method, a pressure casting method, a solid casting method, an extrusion molding method and an injection molding method can be used.

【0026】しかし、結晶粒子の配向性を高めるために
は一軸プレス法、排泥成形法、加圧鋳込み法、固形鋳込
み法、押し出し法、射出成形法がより好適であり、特に
簡便である点で一軸プレス法が好ましい。また、高磁場
をかけながら排泥成形又は鋳込み成形することにより、
高度に配向した成形体を得ることもできる。
However, in order to improve the orientation of the crystal grains, the uniaxial pressing method, the sludge molding method, the pressure casting method, the solid casting method, the extrusion method and the injection molding method are more preferable and particularly simple. Therefore, the uniaxial pressing method is preferable. Also, by performing sludge molding or casting while applying a high magnetic field,
It is also possible to obtain highly oriented shaped bodies.

【0027】成形方法として一軸プレスを利用する場
合、圧力は10MPa以上、更には50MPa以上が好
ましい。10MPa以上とすることで配向度を十分に高
め、冷熱性能の劣化を防止できる。
When a uniaxial press is used as the molding method, the pressure is preferably 10 MPa or more, more preferably 50 MPa or more. By setting the pressure to 10 MPa or more, the degree of orientation can be sufficiently increased, and deterioration of cold heat performance can be prevented.

【0028】なお合金化されていない原料を使用する場
合、合金化処理後、粉砕することにより、成形用粉体を
得ることもできる。なお溶融工程は公知の方法が採用で
き、通常工程として石英管に混合粉末を真空封入、アル
ゴンガス封入し、ロッキング炉にて溶融する方法が挙げ
られる。粉砕工程としては公知の方法であるスタンプミ
ル、ボールミル、振動ミル等を挙げることができる。
When a non-alloyed raw material is used, the powder for molding can be obtained by pulverizing after the alloying treatment. A known method can be adopted for the melting step. As a normal step, there is a method in which the mixed powder is sealed in a quartz tube under vacuum and argon gas and then melted in a rocking furnace. Examples of the pulverizing step include known methods such as a stamp mill, a ball mill and a vibration mill.

【0029】成形体は、焼成に先立って水素還元処理を
施すことが好ましい。熱電変換素子の性能は素子に含有
する酸素量に大きく影響されるため、成形体を構成する
原料粉末の表面に存在する酸素を除去することで、性能
を高めることができる。なお、水素還元処理は、焼成前
であれば原料粉末の段階であっても同じ効果を得ること
ができる。
The molded body is preferably subjected to hydrogen reduction treatment prior to firing. Since the performance of the thermoelectric conversion element is greatly affected by the amount of oxygen contained in the element, it is possible to improve the performance by removing oxygen existing on the surface of the raw material powder forming the compact. Note that the hydrogen reduction treatment can obtain the same effect even at the stage of raw material powder before firing.

【0030】本発明のHIPは、少なくとも3通りの方
式を用いて焼成することができる。
The HIP of the present invention can be fired using at least three methods.

【0031】第1の方法は、シンターHIP法である。
まず、結晶配向度は25%以上、相対密度が90%以上
の成形体を作製する。次いで、これをHIP焼成し、相
対密度が95%以上、特に97%以上の仮焼体を作製
し、しかる後にこれをHIPするものである。
The first method is the Sinter HIP method.
First, a molded body having a crystal orientation degree of 25% or more and a relative density of 90% or more is produced. Next, this is HIP fired to produce a calcined body having a relative density of 95% or more, particularly 97% or more, and then HIPing this.

【0032】成形体の結晶配向度を高めるのは、仮焼後
の結晶配向度を25%以上に高め、HIP後にも高い配
向度を維持するためであり、これにより熱電変換特性を
高めることができる。この結晶配向度は、30%以上、
更には35%以上であることが、特性向上の点で望まし
い。
The reason for increasing the crystal orientation of the compact is to increase the crystal orientation after calcination to 25% or more and maintain the high orientation even after HIP, which can enhance thermoelectric conversion characteristics. it can. This crystal orientation degree is 30% or more,
Further, it is desirable that it is 35% or more from the viewpoint of improving the characteristics.

【0033】また、成形体の相対密度を90%以上にし
ておくのは、仮焼によって結晶配向度が大きく低下しな
いためであるとともに、仮焼体の相対密度を95%以上
とするためである。
Further, the reason why the relative density of the compact is set to 90% or more is that the degree of crystal orientation is not significantly reduced by calcination and that the relative density of the calcined body is 95% or more. .

【0034】HIPは、所望の温度で10MPa以上に
加圧し、特定時間保持してHIP処理を行う。圧力を1
0MPa以上に設定することで、十分なHIP効果を与
え、気孔が焼結体内部に残留することを防止し、密度を
向上するためである。特に、100MPa以上、さらに
150MPa以上が特に好ましい。
The HIP is carried out by applying a pressure of 10 MPa or more at a desired temperature and holding it for a specific time to carry out the HIP treatment. Pressure 1
This is because by setting the pressure to 0 MPa or more, a sufficient HIP effect is given, pores are prevented from remaining inside the sintered body, and the density is improved. Particularly, 100 MPa or more, and further preferably 150 MPa or more is particularly preferable.

【0035】第2の方法は、カプセルHIP法である。
即ち、原料粉末又はその成形体を、分圧調整剤を含む金
属からなる容器中に入れ、脱気、封入する。例えば、T
eを含むW金属からなる容器中に原料粉末を入れること
ができる。この場合、分圧調整剤が原料を入れる容器の
一部を構成している。
The second method is the capsule HIP method.
That is, the raw material powder or its molded body is placed in a container made of metal containing a partial pressure adjusting agent, deaerated and sealed. For example, T
The raw material powder can be placed in a container made of W metal containing e. In this case, the partial pressure adjusting agent constitutes a part of the container for containing the raw material.

【0036】容器はカプセル状、缶状、袋状などの様々
な形状が使用可能であり、被焼結物の形態により適宜選
べばよい。この容器を熱間等方加圧装置(HIP装置)
中に設置し、昇温加圧し焼結体を得る。
Various shapes such as capsule shape, can shape and bag shape can be used for the container, and it may be appropriately selected depending on the form of the material to be sintered. This container is a hot isostatic press (HIP device)
It is installed inside and heated and pressurized to obtain a sintered body.

【0037】HIPは、所望の温度で10MPa以上に
加圧し、特定時間の間保持してHIP処理を行う。圧力
を10MPa以上、特に100MPa以上、更には15
0MPa以上に設定するのは、第1の方法の場合と同じ
理由である。
The HIP is carried out by applying a pressure of 10 MPa or more at a desired temperature and holding it for a specific time to carry out the HIP treatment. The pressure is 10 MPa or more, particularly 100 MPa or more, and further 15
The reason for setting it to 0 MPa or more is the same as in the case of the first method.

【0038】第3の方法は、シールHIP法である。即
ち、成形体表面をシール層で完全に覆うために必要なス
ラリーを作製する。すなわち、シール材粉末およびバイ
ンダーに、溶媒を加えてスラリーを作製する。シール材
粉末の平均粒径は、溶融金属のバリヤ材として機能すれ
ばよく、特に限定するものではない。シール材としては
BNなどが好適に使用される。
The third method is the seal HIP method. That is, a slurry required to completely cover the surface of the molded body with the seal layer is prepared. That is, a solvent is added to the sealing material powder and the binder to prepare a slurry. The average particle size of the sealing material powder is not particularly limited as long as it functions as a barrier material for molten metal. BN or the like is preferably used as the sealing material.

【0039】次に、成形体表面にシール層を形成する。
シール層の形成には、浸漬法あるいは噴霧法を用いるこ
とができる。浸漬法とは、成形体または仮焼体をスラリ
ーの中に浸漬後、引き上げて表面にスラリーを付着させ
る方法であり、噴霧法とは、スラリーを液滴状にして表
面に吹き付けて被覆層を形成する方法である。
Next, a seal layer is formed on the surface of the molded body.
A dipping method or a spraying method can be used to form the seal layer. The immersion method is a method of immersing the molded body or the calcined body in the slurry and then pulling it up to attach the slurry to the surface, and the spraying method is a method of spraying the slurry in the form of droplets onto the surface to form a coating layer. It is a method of forming.

【0040】本発明では、上記のシール層の形成方法に
よれば、窪み、溝部、あるいは肉厚の薄い部位であって
も、シール層が均一な厚みで形成されるため、再現良
く、また欠損などが無く、歩留まり良く焼結体の製造が
可能となり、量産に適応できるようになる。また、緻密
なシール層が形成されるため、溶融金属のバリヤ材とし
ての機能性を高めることができる。そして、成形体や仮
焼体が複雑な形状であっても、筆や治具を直接接触せず
にシール層を形成できるため、上記の方法は歩留まりを
高める効果がある。
In the present invention, according to the above-described method for forming the seal layer, the seal layer is formed with a uniform thickness even in the depressions, the groove portions, or the thin portion, so that the seal layer is reproducible and is not damaged. With such advantages, it becomes possible to manufacture a sintered body with a high yield, and it becomes possible to adapt to mass production. Further, since the dense seal layer is formed, the functionality of the molten metal as a barrier material can be enhanced. Even if the molded body or the calcined body has a complicated shape, the sealing layer can be formed without directly contacting with a brush or a jig, and thus the above method has an effect of increasing the yield.

【0041】この時、成形体がシール層で完全に覆われ
るようにすることが重要である。被覆層が不完全な場合
は、被焼結物に圧力が加わらないという問題や、金属が
浸入して組成が変化するという問題が生じる。したがっ
て、シール層の厚みは、0.5〜5mm、特に1〜3m
mが好ましい。なお、このシール層の厚みは、スラリー
の粘度や噴霧時間によって容易に調整できる。
At this time, it is important that the molded body is completely covered with the seal layer. When the coating layer is incomplete, there are problems that pressure is not applied to the material to be sintered and that the composition changes due to metal infiltration. Therefore, the thickness of the sealing layer is 0.5 to 5 mm, especially 1 to 3 m.
m is preferred. The thickness of this seal layer can be easily adjusted by the viscosity of the slurry and the spraying time.

【0042】さらに、スラリー状のシール層を全表面に
形成した被焼結物は、シール層中の溶剤を除去するため
に乾燥を行うことが好ましい。これにより、シール層が
被焼結物表面での保形性を高めることができる。また、
この後に、所望によりバインダーを除去するために、脱
脂のための加熱をしても差し支えない。
Furthermore, it is preferable to dry the object to be sintered on which the slurry-like sealing layer is formed on the entire surface in order to remove the solvent in the sealing layer. Thereby, the seal layer can improve the shape retention on the surface of the material to be sintered. Also,
After this, if necessary, heating for degreasing may be performed in order to remove the binder.

【0043】次に、金属粉と被焼結物の埋設したるつぼ
をHIP装置内に設置し、ガス置換を行う。次いで10
MPa未満の圧力下で溶融金属浴を作製する。このとき
圧力が10MPaよりも大きいと、溶融金属浴中に高圧
のガスがトラップされ、十分なHIP効果が得られな
い。
Next, the crucible in which the metal powder and the material to be sintered are buried is set in the HIP device, and gas replacement is performed. Then 10
A molten metal bath is prepared under a pressure of less than MPa. At this time, if the pressure is higher than 10 MPa, high-pressure gas is trapped in the molten metal bath, and a sufficient HIP effect cannot be obtained.

【0044】HIPは、所望の温度で10MPa以上に
加圧し、特定時間の間保持してHIP処理を行う。ま
た、圧力が10MPa以下ではHIP効果が十分ではな
いため、気孔が焼結体内部に残留し、密度が低下するた
めである。特に、100MPa以上、さらに150MP
a以上が特に好ましい。
HIP is carried out by applying a pressure of 10 MPa or more at a desired temperature and holding it for a specific time to carry out HIP treatment. Further, if the pressure is 10 MPa or less, the HIP effect is not sufficient, so that pores remain inside the sintered body and the density decreases. Especially, 100MPa or more, further 150MP
Especially preferred is a or more.

【0045】以上のように、本発明の製造方法を用いて
作製した熱電材料焼結体は、高密度で組成が均一である
ため、熱電性能、機械的強度に優れ、かつ均質な、30
mm以上、特に50mm以上の大型の熱電材料焼結体を
製造することができる。よって歩留まりが高く、低コス
トで、高性能、高信頼性、高耐久性の熱電変換材料及び
熱電変換モジュールを得ることができる。
As described above, since the thermoelectric material sintered body produced by the production method of the present invention has a high density and a uniform composition, it is excellent in thermoelectric performance and mechanical strength and is uniform.
It is possible to manufacture a large-sized thermoelectric material sintered body having a size of at least mm, particularly at least 50 mm. Therefore, it is possible to obtain a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion module with high yield, low cost, high performance, high reliability, and high durability.

【0046】[0046]

【実施例】p型熱電変換素子として純度99.9%以
上、平均アスペクト比2のBi0.4Sb1.6Te3合金粉
末、又はn型熱電変換素子として純度99.9%以上、
平均アスペクト比2のBi2Te2.85Se0.15合金粉末
をセラミック製ボール及びIPAとともにポットに入
れ、10時間振動ミルにて混合、粉砕した。原料スラリ
ーは、#300メッシュを通しながらバットに移し、8
0℃乾燥機にて乾燥させた。乾燥後、#40メッシュに
て整粒し、350℃水素気流中で5時間還元処理した。(シンターHIP法) 水素還元処理を行った上記原料
を、0.1GPaで金型一軸プレス成形し、次いで水不
透過性のフィルム中に真空封入し、0.3GPaで冷間
静水圧プレスした。試料No.1〜17及び27〜43
は、得られた成形体をそのまま被HIP体とし、試料N
o.18、19、44、45は、400℃、SPS法
(放電プラズマ焼結法)にて作製し、相対密度が95%
の仮焼体を被HIP体とした。いずれも仮焼体の形状
は、直径50mm、厚さ30mmであった。
Examples A p-type thermoelectric conversion element having a purity of 99.9% or more, an average aspect ratio of Bi 0.4 Sb 1.6 Te 3 alloy powder, or an n-type thermoelectric conversion element having a purity of 99.9% or more,
Bi 2 Te 2.85 Se 0.15 alloy powder having an average aspect ratio of 2 was put in a pot together with ceramic balls and IPA, and mixed and pulverized in a vibration mill for 10 hours. Transfer the raw material slurry to a vat while passing it through # 300 mesh, and
It was dried in a 0 ° C. dryer. After drying, the particles were sized with # 40 mesh and subjected to reduction treatment in a hydrogen stream at 350 ° C. for 5 hours. (Sinter HIP method) The above-mentioned raw material subjected to hydrogen reduction treatment was uniaxially press-molded with a mold at 0.1 GPa, then vacuum-sealed in a water-impermeable film, and cold isostatically pressed at 0.3 GPa. Sample No. 1-17 and 27-43
Is a sample N
o. 18, 19, 44, and 45 were produced by the SPS method (discharge plasma sintering method) at 400 ° C. and had a relative density of 95%.
The calcinated body of was used as the body to be HIPed. In each case, the shape of the calcined body was 50 mm in diameter and 30 mm in thickness.

【0047】得られた被HIP体を表1の分圧調整剤と
ともにカーボン鉢中に設置した。その後熱間等方加圧装
置内に焼成鉢を設置し、アルゴンで2回ガス置換した
後、ガス加圧しながら10℃/minの昇温速度で昇温
し、表1の条件でHIPを行った。(カプセルHIP法) 水素還元処理を行った原料を、真
空中で金属容器に封入した。
The obtained body to be HIP was placed in a carbon pot together with the partial pressure regulator of Table 1. After that, a baking pot was installed in the hot isostatic press, the gas was replaced with argon twice, the temperature was raised at a heating rate of 10 ° C./min while pressurizing the gas, and HIP was performed under the conditions shown in Table 1. It was (Capsule HIP Method) The hydrogen-reduced raw material was sealed in a metal container in a vacuum.

【0048】この容器は、試料No.21〜23、47
〜49の主成分はタングステンで、20質量%のテルル
が含有されている。また、試料No.20、46は、原
料粉末の構成成分の入っていないアルミニウム製であっ
た。
This container is a sample No. 21-23, 47
The main component of ~ 49 is tungsten and contains 20% by mass of tellurium. In addition, the sample No. Nos. 20 and 46 were made of aluminum containing no constituents of the raw material powder.

【0049】内部に試料を入れた容器を熱間等方加圧装
置中に設置し、表1のHIP条件で焼結し、直径50m
m、厚み30mmの基板を得た。(シールHIP法) 試料No.24〜26及び50〜5
2をシールHIP法にて作製した。即ち、水素還元処理
を行った原料を、0.1GPaで金型1軸プレス成形
し、次いで水不透過性のフィルム中に真空封入し、0.
3GPaで冷間静水圧プレスし、成形体を作製するとと
もに、バインダーを溶かした溶媒にBNを加えてシール
用のスラリーを作製した。
The container containing the sample inside was placed in a hot isotropic pressurizer and sintered under the HIP conditions shown in Table 1 to a diameter of 50 m.
A substrate having a thickness of m and a thickness of 30 mm was obtained. (Seal HIP method) Sample No. 24-26 and 50-5
2 was manufactured by the seal HIP method. That is, the hydrogen-reduced raw material was uniaxially press-molded in a mold at 0.1 GPa, then vacuum-sealed in a water-impermeable film,
Cold isostatic pressing was performed at 3 GPa to produce a molded body, and BN was added to the solvent in which the binder was dissolved to produce a slurry for sealing.

【0050】次に、成形体表面にスラリーを塗布し、表
面を完全にシール層で覆った後、乾燥させた。さらに、
テルル粉末、テルル80%とセレン20%の混合粉末と
被焼結物の埋設したるつぼをそれぞれ熱間静水圧プレス
装置内に設置し、ガス置換を行った後、10MPa未満
の圧力下で溶融金属浴を作製し、表1のHIP条件で焼
結し、直径50mm、厚み30mmの基板を得た。(評価法) 得られた焼結体は、アルキメデス法によって
比重を測定し、理論値から相対比重を測定した。
Next, the slurry was applied to the surface of the molded body, the surface was completely covered with the seal layer, and then dried. further,
Tellurium powder, a mixed powder of 80% tellurium and 20% selenium, and a crucible in which the material to be sintered is embedded are placed in a hot isostatic press, respectively, and after performing gas replacement, molten metal under a pressure of less than 10 MPa. A bath was prepared and sintered under the HIP conditions shown in Table 1 to obtain a substrate having a diameter of 50 mm and a thickness of 30 mm. (Evaluation method) The specific gravity of the obtained sintered body was measured by the Archimedes method, and the relative specific gravity was measured from the theoretical value.

【0051】配向度は、上述のように、X線回折から求
めた。
The degree of orientation was determined by X-ray diffraction as described above.

【0052】熱伝導率はレーザーフラッシュ法により、
ゼーベック係数、比抵抗は真空理工社製熱電能評価装置
により、それぞれ20℃の条件下で測定するとともに、
性能指数Zを、式Z=α2/ρκ(αはゼーベック係
数、ρは比抵抗、κは熱伝導率である)により算出し
た。この際、焼結体の中心から1個、中心と端との中間
点付近から4個を内部とし、端から10mmの外周部か
ら4個を外部として性能指数を測定し、内部の平均値と
外部の平均値の差を算出し、その絶対値について内部の
平均値に対する割合として算出した。結果を表1に示
す。
The thermal conductivity was measured by the laser flash method.
The Seebeck coefficient and the specific resistance are measured with a thermoelectric power evaluation device manufactured by Vacuum Riko Co., Ltd. under the conditions of 20 ° C., respectively,
The figure of merit Z was calculated by the formula Z = α 2 / ρκ (α is the Seebeck coefficient, ρ is the specific resistance, and κ is the thermal conductivity). At this time, the figure of merit was measured with one inside from the center of the sintered body, four inside the vicinity of the midpoint between the center and the end, and four outside from the outer periphery of 10 mm from the end, and the internal average value The difference between the external average values was calculated, and the absolute value was calculated as a ratio to the internal average value. The results are shown in Table 1.

【0053】[0053]

【表1】 [Table 1]

【0054】シンターHIP法を用いた本発明の試料N
o.1〜6、8〜19、27〜32及び34〜45は、
性能指数Zがp型で2.9×10-3/K以上で、差が7
%以下であった。n型では2.9×10-3/K以上で、
差が6%以下であった。
Sample N of the present invention using the Sinter HIP method
o. 1 to 6, 8 to 19, 27 to 32 and 34 to 45 are
The figure of merit Z is p-type 2.9 × 10 -3 / K or more, the difference is 7
% Or less. For n type, 2.9 × 10 -3 / K or more,
The difference was 6% or less.

【0055】一方、分圧調整剤に原料粉末の構成元素を
含まない試料No.7、33は、性能指数Zが2.7×
10-3/K以下で、その差が15%以上であった。
On the other hand, Sample No. in which the partial pressure adjusting agent does not contain the constituent elements of the raw material powder 7, 33, the figure of merit Z is 2.7 ×
It was 10 -3 / K or less, and the difference was 15% or more.

【0056】カプセルHIP法を用いた本発明の試料N
o.21〜23、47〜49は、性能特性Zが3.0×
10-3/K以上で、差が3%以下であった。
Sample N of the present invention using the capsule HIP method
o. 21-23 and 47-49 have a performance characteristic Z of 3.0 ×.
When it was 10 −3 / K or more, the difference was 3% or less.

【0057】一方、分圧調整剤に原料粉末の構成元素を
含まない試料No.20、46は、性能指数Zが2.6
×10-3/K以下で、その差が15%以上であった。
On the other hand, the sample No. in which the partial pressure adjusting agent does not contain the constituent elements of the raw material powder 20 and 46 have a figure of merit Z of 2.6.
The difference was 15% or more with a value of x10 -3 / K or less.

【0058】シールHIPを用いた本発明の試料No.
25、26、51、52は、性能指数Zが3.1×10
-3/K以上で、差が3%以下であった。
The sample No. of the present invention using the seal HIP.
25, 26, 51 and 52 have a performance index Z of 3.1 × 10.
-3 / K or more, the difference was 3% or less.

【0059】一方、分圧調整剤に原料粉末の構成元素を
含まない試料No.24、50は、性能指数Zが2.7
×10-3/K以下で、差が15%以上であった。
On the other hand, Sample No. in which the partial pressure adjusting agent does not contain the constituent elements of the raw material powder. 24 and 50 have a performance index Z of 2.7.
The difference was 15% or more at × 10 −3 / K or less.

【0060】[0060]

【発明の効果】本発明は、特定の原料粉末とともに、原
料粉末を構成する元素を含む分圧調整剤を装置内に配置
してHIPするものであり、この方法によって、熱電性
能及び機械的強度に優れ、材質が均一で、特性ばらつき
が小さい熱電変換素子を容易に作製できる
According to the present invention, a partial pressure adjusting agent containing an element constituting the raw material powder is placed in the apparatus and HIP is performed together with the specific raw material powder. By this method, thermoelectric performance and mechanical strength are obtained. It is easy to manufacture thermoelectric conversion elements with excellent properties, uniform material, and small variation in characteristics.

フロントページの続き (72)発明者 西薗 和博 鹿児島県国分市山下町1番4号 京セラ株 式会社総合研究所内 Fターム(参考) 4K018 AA40 BA20 BC12 CA01 CA11 CA23 CA29 CA31 DA01 EA12 EA16 Continued front page    (72) Inventor Kazuhiro Nishizono             Kyocera Co., Ltd. 1-4 Yamashita Town, Kokubun City, Kagoshima Prefecture             Shikisha Research Institute F term (reference) 4K018 AA40 BA20 BC12 CA01 CA11                       CA23 CA29 CA31 DA01 EA12                       EA16

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】ビスマス、テルル、アンチモン及びセレン
のうち少なくとも2種からなる原料粉末を炉内に配置
し、該原料粉末を構成する元素を含む分圧調整剤を前記
原料粉末の周囲に配置して、熱間等方加圧焼結すること
を特徴とする熱電変換素子の製造方法。
1. A raw material powder made of at least two kinds of bismuth, tellurium, antimony and selenium is placed in a furnace, and a partial pressure regulator containing an element constituting the raw material powder is placed around the raw material powder. And a method for manufacturing a thermoelectric conversion element, which comprises hot isostatic pressing and sintering.
【請求項2】前記分圧調整剤に含まれる元素がテルルで
あることを特徴とする請求項1記載の熱電変換素子の製
造方法。
2. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the element contained in the partial pressure adjusting agent is tellurium.
【請求項3】前記原料粉末を構成する結晶の平均アスペ
クト比が1.5以上であることを特徴とする請求項1又
は2記載の熱電変換素子の製造方法。
3. The method for producing a thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the crystal forming the raw material powder has an average aspect ratio of 1.5 or more.
【請求項4】前記原料粉末を用いて結晶配向度が25%
以上、相対密度が90%以上の成形体を作製し、しかる
後に該成形体を熱間等方加圧焼結することを特徴とする
請求項1乃至3のいずれかに記載の熱電変換素子の製造
方法。
4. The crystal orientation of the raw material powder is 25%.
The thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3, wherein a molded body having a relative density of 90% or more is produced as described above, and then the molded body is hot isostatically pressed and sintered. Production method.
【請求項5】前記分圧調整剤を含む金属製の容器に前記
原料粉末を封入し、熱間等方加圧焼結することを特徴と
する請求項1乃至4のいずれかに記載の熱電変換素子の
製造方法。
5. The thermoelectric element according to claim 1, wherein the raw material powder is enclosed in a metal container containing the partial pressure regulator, and hot isostatic pressing is performed. Method for manufacturing conversion element.
【請求項6】前記原料粉末の表面にシール層を設け、少
なくとも前記分圧調整剤を含む低融点金属粉末中に埋設
し、該低融点金属を溶融して溶融金属浴を形成して熱間
等方加圧焼結することを特徴とする請求項1乃至5のい
ずれかに記載の熱電変換素子の製造方法。
6. A seal layer is provided on the surface of the raw material powder, the seal layer is embedded in a low melting point metal powder containing at least the partial pressure adjusting agent, and the low melting point metal is melted to form a molten metal bath. The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein isotropic pressure sintering is performed.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2009107498A1 (en) * 2008-02-26 2009-09-03 日鉱金属株式会社 Sb-te alloy powder for sintering, process for production of the powder, and sintered target

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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009107498A1 (en) * 2008-02-26 2009-09-03 日鉱金属株式会社 Sb-te alloy powder for sintering, process for production of the powder, and sintered target

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