JP2004363620A - Thermoelectric material, its manufacturing method and peltier module - Google Patents

Thermoelectric material, its manufacturing method and peltier module Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermoelectric material capable of obtaining a high Seebeck coefficient with high homogeneity and reducing electric resistance by promoting the C-plane orientation of a Bi<SB>2</SB>Te<SB>3</SB>-based thermoelectric material, and also to provide a method for manufacturing the material and a peltier module. <P>SOLUTION: The method for manufacturing the thermoelectric material comprising steps of: at first, obtaining an ingot or its comminuted powder of which the composition is composed of at least one element selected from a group composed of Bi and Sb and at least one element selected from a group composed of Te and Se; and then forming a rhombohedral structure of the ingot or its comminuted powder by executing extrusion processing more than one time at an extrusion speed of 0.001-0.03 mm/minute so as to shear the ingot or its comminuted powder by using dies in which a pressurizing shaft and an extrusion shaft are not arranged on the same axis. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は性能指数を高めた高性能の熱電材料、その製造方法及びペルチェモジュールに関する。   The present invention relates to a high-performance thermoelectric material having an improved figure of merit, a method for manufacturing the same, and a Peltier module.

熱電材料の特性は、そのゼーベック係数をα(μ・V/K)、比抵抗をρ(Ω・m)、熱伝導率をκ(W/m・K)としたとき、下記数式1に示す性能指数Zによって評価することができる。   The properties of the thermoelectric material are represented by the following equation 1 when the Seebeck coefficient is α (μ · V / K), the specific resistance is ρ (Ω · m), and the thermal conductivity is κ (W / m · K). It can be evaluated by the performance index Z.

Figure 2004363620
Figure 2004363620

上記数式1に示すように、性能指数Zを大きくするためには、比抵抗ρ及び熱伝導率κを小さくすることが効果的である。一般的に、結晶粒の粒径が小さくなるほど熱伝導率κが小さくなることは公知である。また、熱流及び電流が通過する方向において、通過する結晶数を減少させると比抵抗は小さくなる。即ち、結晶が成長する方向に電流又は熱流方向を規定すると、その熱電材料の性能指数Zは大きくなる。   As shown in the above formula 1, in order to increase the figure of merit Z, it is effective to reduce the specific resistance ρ and the thermal conductivity κ. It is generally known that the smaller the grain size of the crystal grains, the lower the thermal conductivity κ. Further, when the number of passing crystals is reduced in the direction in which the heat flow and the current pass, the specific resistance decreases. That is, when the current or heat flow direction is defined in the direction in which the crystal grows, the figure of merit Z of the thermoelectric material increases.

このような熱電材料としては、例えばBiTe系熱電材料が使用されている。例えば焼結材からなるBiTe系熱電材料は、凝固した材料を粉砕し、ホットプレス等により固化成形することにより製造するが、この固化成形の際に、ホットプレスの圧力方向と垂直の方向に低抵抗の結晶方位(a軸)が成長し、この方向で高い性能指数が得られる。従って、このa軸方向に電流を流すように、電極付けして熱電素子及びこの複数の熱電素子からなる熱電モジュールを組み立てる。このため、熱電材料の製造工程においては、各結晶のa軸が揃わせること、即ち高い配向性を付与することが重要である。 As such a thermally conductive material, for example, Bi 2 Te 3 -based thermoelectric material is used. For example Bi 2 Te 3 -based thermoelectric material made of a sintered material, the solidified material is crushed will be produced by solidifying and molding by hot pressing or the like, during the solidification molding, pressure and vertical hot pressing A crystal orientation (a-axis) with low resistance grows in the direction, and a high figure of merit is obtained in this direction. Therefore, a thermoelectric element and a thermoelectric module including the plurality of thermoelectric elements are assembled by attaching electrodes so that a current flows in the a-axis direction. For this reason, in the production process of the thermoelectric material, it is important that the a-axes of the crystals are aligned, that is, that high orientation is imparted.

従来、性能指数の向上を図って熱電材料を押出し法により製造する技術が開示されている(特許文献1参照)。図16は特許文献1に記載の熱電材料の製造方法を示す断面図である。特許文献1に記載の熱電材料の製造方法においては、図16に示すように、Bi及びSbからなる群から選択された少なくとも1種の元素と、Te及びSeからなる群から選択された少なくとも1種の元素とを含む組成からなる熱電材料(素材)101をダイス102により素材101の長手方向に押し出し加工する。この際、素材101を軟化させるため、ヒータ104により加熱する。これにより、(001)面(c面)方向が一方向に揃った素材101を押出加工するので、押出後の材料103は、そのc面方向が一方向に揃ったままで、結晶粒が微細化する。従って、押出前の素材101に比して押出後の材料103は、電気比抵抗ρは変化せず、熱伝導率κが低下する。このような押出し法は、絞り加工することにより、c面をすべり配向させるものである。   2. Description of the Related Art Conventionally, a technique of manufacturing a thermoelectric material by an extrusion method in order to improve a figure of merit has been disclosed (see Patent Document 1). FIG. 16 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a thermoelectric material described in Patent Document 1. In the method for manufacturing a thermoelectric material described in Patent Document 1, as shown in FIG. 16, at least one element selected from the group consisting of Bi and Sb and at least one element selected from the group consisting of Te and Se A thermoelectric material (raw material) 101 having a composition including a seed element is extruded by a die 102 in the longitudinal direction of the raw material 101. At this time, the material 101 is heated by the heater 104 to soften it. As a result, the material 101 having the (001) plane (c-plane) direction aligned in one direction is extruded, so that the extruded material 103 has crystal grains refined while the c-plane direction is aligned in one direction. I do. Accordingly, the electrical resistivity ρ of the material 103 after extrusion does not change and the thermal conductivity κ of the material 103 after extrusion decreases as compared with the material 101 before extrusion. In such an extrusion method, the c-plane is slip-oriented by drawing.

また、熱電材料をL字に押し出すことで剪断加工により、強加工し、これにより、配向を付与する方法もある(非特許文献1参照)。図17は非特許文献1に記載の剪断付加押出法を示す模式的断面図である。   There is also a method in which a thermoelectric material is extruded into an L-shape to perform strong working by shearing processing, thereby imparting an orientation (see Non-Patent Document 1). FIG. 17 is a schematic cross-sectional view showing a shear addition extrusion method described in Non-Patent Document 1.

非特許文献1に記載の剪断付加押出法においては、図17に示すように、p型材料である(BiTe0.2(SbTe0.8の圧粉体を形成し、この圧粉体を押出ダイス110により加工する。押出ダイス110は中心軸が垂直方向の円柱部110aと、この円柱と直交する方向に進路が曲げられた水平部110bとからなる。そして、円柱部110aに挿入された上パンチ111により圧粉体を加圧することにより、押出ダイス110の経路の直角部において、圧粉体に剪断応力の負荷及び回転による結晶方向の一方配向性を誘起させている。 In the shear addition extrusion method described in Non-Patent Document 1, as shown in FIG. 17, a green compact of (Bi 2 Te 3 ) 0.2 (Sb 2 Te 3 ) 0.8 which is a p-type material is formed. Then, this green compact is processed by the extrusion die 110. The extrusion die 110 includes a cylindrical portion 110a whose central axis is in a vertical direction, and a horizontal portion 110b whose path is bent in a direction perpendicular to the cylindrical shape. Then, by pressing the green compact with the upper punch 111 inserted into the cylindrical portion 110a, the unidirectional orientation in the crystal direction due to the load of the shear stress and the rotation is applied to the green compact at the right angle portion of the path of the extrusion die 110. Induced.

更に、熱電材料を加圧軸と直交する方向へ一軸に押し潰す技術が開示されている(特許文献2参照)。図18は特許文献2の熱電材料の製造方法における熱間すえこみ鍛造を示す図であって、図18(a)は、すえこみ鍛造前、図18(b)は、すえこみ鍛造後を示す模式的断面図である。   Further, there is disclosed a technique of crushing a thermoelectric material uniaxially in a direction orthogonal to a pressure axis (see Patent Document 2). FIG. 18 is a diagram showing hot upsetting forging in the method for producing a thermoelectric material of Patent Document 2. FIG. 18 (a) shows before upsetting forging, and FIG. 18 (b) shows after upsetting forging. It is a typical sectional view.

特許文献2に記載の方法においては、熱電半導体の固溶体インゴットを形成し、このインゴットを粉砕して加圧焼結する。その後、図18(a)及び図18(b)に示すように、ベース121と、ベース121に直交して内部に直方体状の空洞を有する円柱状のスリーブ122と、このスリーブ122の空洞に挿通するように形成されたパンチ123とを有するすえこみ装置を使用し、スリーブ122の空洞に加圧焼結した粉末焼結体124を入れ、粉末焼結体124を熱間で塑性変形させ、展延することで粉末結晶粒の結晶粒が性能指数が優れた結晶方位に配向させる熱間すえこみ鍛造工程により熱電半導体材料125を形成する。   In the method described in Patent Document 2, a solid solution ingot of a thermoelectric semiconductor is formed, and the ingot is pulverized and sintered under pressure. Thereafter, as shown in FIGS. 18A and 18B, a base 121, a cylindrical sleeve 122 having a rectangular parallelepiped cavity therein perpendicular to the base 121, and inserted through the cavity of the sleeve 122. The press-sintered powder sintered body 124 is inserted into the cavity of the sleeve 122 by using an upsetting device having a punch 123 formed so as to perform plastic deformation by hot plastic deformation. By stretching, the thermoelectric semiconductor material 125 is formed by a hot upsetting forging process in which the crystal grains of the powder crystal grains are oriented in a crystal orientation having an excellent figure of merit.

特開平11−163422号公報JP-A-11-163422 特開平10―178218号公報JP-A-10-178218 粉体粉末冶金協会講演概要集平成12年春季大会,2000年5月16日,p.197Collection of lectures of Japan Society of Powder and Powder Metallurgy Spring Meeting 2000, May 16, 2000, p. 197

しかしながら、特許文献1記載の技術においては、加工度の違いが円周方向で大きくなり、物性の分布が生じる。図19(a)乃至(c)は、特許文献1記載の技術の問題点を示す図であって、図19(a)はダイス内の熱電材料を示す模式図、図19(b)及び(c)は図19(a)に示す押出部の位置の熱電材料を示す夫々断面図及び模式図である。図19(a)及び(b)に示すように、押出部におけるダイスに接する材料表面近傍130の加工度が中心部の加工度よりも高くなってしまうという問題点がある。また、強加工を施すほど、絞り径を細くするので、収率が低下してしまう。更に、図19(c)に示すように、押出加工された熱電材料が回転してその(001)面(c面)が円周方向に並び、一方向に並ばずに存在するため、熱電材料として必要である低い抵抗値が得られないという問題点がある。   However, in the technique described in Patent Literature 1, the difference in the working degree increases in the circumferential direction, and a physical property distribution occurs. FIGS. 19A to 19C are diagrams showing the problems of the technology described in Patent Document 1. FIG. 19A is a schematic diagram showing a thermoelectric material in a die, and FIGS. 19C is a cross-sectional view and a schematic view showing the thermoelectric material at the position of the extruded portion shown in FIG. As shown in FIGS. 19 (a) and (b), there is a problem that the working degree near the material surface 130 in contact with the die in the extruded part is higher than the working degree in the central part. Further, the more the hard working is performed, the narrower the drawing diameter becomes, so that the yield decreases. Further, as shown in FIG. 19 (c), the extruded thermoelectric material rotates and its (001) plane (c plane) is arranged in the circumferential direction and is not arranged in one direction. However, there is a problem that a necessary low resistance value cannot be obtained.

また、特許文献2に記載の技術においては、出発材料が固溶体インゴットを粉砕して加圧焼結したものであるため、結晶粒径が大きく、不均一であり、更に通常p型よりも電気抵抗が高いn型熱電素子の場合には低抵抗化に限界があるという問題点がある。   Further, in the technique described in Patent Document 2, since the starting material is obtained by pulverizing a solid solution ingot and sintering it under pressure, the crystal grain size is large and non-uniform, and the electric resistance is usually higher than that of the p-type. However, in the case of an n-type thermoelectric element having a high resistance, there is a problem that there is a limit in reducing the resistance.

更に、特許文献1及び2並びに非特許文献1に記載の技術においては、(Bi,Sb)(Te,Se)からなる熱電材料において、n型では性能指数が3.0×10−3/Kを超す材料の製造が極めて困難で、特に、光通信部品への使用を見据えた電気抵抗ρが1.2×10−5Ωm以下で且つ性能指数が3.0×10−3/Kを上回る材料は、ほとんど得られていない。 Furthermore, in the techniques described in Patent Literatures 1 and 2 and Non-Patent Literature 1, in a thermoelectric material composed of (Bi, Sb) 2 (Te, Se) 3 , the n-type thermoelectric material has a performance index of 3.0 × 10 −3. It is extremely difficult to produce a material exceeding / K, and in particular, the electrical resistance ρ for use in optical communication components is 1.2 × 10 −5 Ωm or less and the figure of merit is 3.0 × 10 −3 / K. Very little material has been obtained.

p型熱電材料とn型熱電材料とを比較した場合、材料の特性上、n型の方が性能が悪くなることは従来公知である。即ち、p型とn型とでゼーベック係数を同一になるように形成するとn型の熱電材料はp型よりも電気抵抗が高くなる。また、電気抵抗を同一とすると、n型の方がゼーベック係数が低くなってしまう。しかし、熱電モジュールとして使用するためには、ゼーベック係数、電気抵抗及び熱伝導率からなる熱電物性を統一する必要がある。このため、特許文献1及び2並びに非特許文献1に記載の技術には、優れた熱電物性を有するn型の熱電材料の製造は困難であるという問題点がある。   It is conventionally known that when comparing a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material, the n-type thermoelectric material has worse performance due to the characteristics of the material. That is, when the Seebeck coefficient is formed to be the same for the p-type and the n-type, the n-type thermoelectric material has a higher electric resistance than the p-type. If the electric resistance is the same, the Seebeck coefficient of the n-type becomes lower. However, in order to use it as a thermoelectric module, it is necessary to unify the thermoelectric properties including the Seebeck coefficient, electric resistance, and thermal conductivity. For this reason, the techniques described in Patent Literatures 1 and 2 and Non-Patent Literature 1 have a problem that it is difficult to manufacture an n-type thermoelectric material having excellent thermoelectric properties.

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、BiTe系熱電材料の(001)面配向性を助長して電気抵抗を低減させると共に、均質性に優れ、n型であっても高いゼーベック係数が得られる熱電材料、その製造方法及びペルチェモジュールを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and promotes the (001) plane orientation of a Bi 2 Te 3 -based thermoelectric material to reduce electric resistance, has excellent homogeneity, and is n-type. It is an object of the present invention to provide a thermoelectric material capable of obtaining a high Seebeck coefficient, a method for manufacturing the same, and a Peltier module.

本願第1発明に係る熱電材料は、Bi及びSbからなる群から選択された少なくとも1種の元素と、Te及びSeからなる群から選択された少なくとも1種の元素とからなる組成のインゴット又はその粉砕粉に対し、加圧軸と押出軸とが一軸上にないダイスを使用してせん断加工する押出処理を、押出速度を0.001乃至0.03mm/分にして少なくとも1回行うことにより得られたものであることを特徴とする。   The thermoelectric material according to the first invention of the present application is an ingot having a composition including at least one element selected from the group consisting of Bi and Sb and at least one element selected from the group consisting of Te and Se, or an ingot thereof. An extruding process in which a crushed powder is subjected to a shearing process using a die in which a pressing axis and an extruding axis are not uniaxial is performed at least once at an extruding speed of 0.001 to 0.03 mm / min. It is characterized by having been done.

なお、前記押出処理において押出方向に対して反対の方向から加圧荷重よりも小さい荷重が被押出材に印加されていてもよい。   In the extrusion process, a load smaller than the pressing load may be applied to the material to be extruded from a direction opposite to the extrusion direction.

また、本発明の熱電材料は、前記押出処理後に加圧軸及び押出軸を有する平面上で前記押出軸に直交する方向にホットプレス処理することにより得られたものでもよく、又は、前記押出処理を2回以上行い、最終押出工程におけるダイス出口の断面積をダイス入口の断面積よりも小さくすることにより得られたものでもよい。   Further, the thermoelectric material of the present invention may be obtained by hot pressing in a direction orthogonal to the extrusion axis on a plane having a pressure axis and an extrusion axis after the extrusion processing, or the extrusion processing Is performed twice or more, and the cross-sectional area of the die outlet in the final extrusion step is made smaller than the cross-sectional area of the die inlet.

更に、この熱電材料は、I、Cl、Hg、Br、Ag及びCuからなる群から選択された1種又は2種以上の元素が添加されていてもよい。   Further, one or more elements selected from the group consisting of I, Cl, Hg, Br, Ag and Cu may be added to the thermoelectric material.

更にまた、平均粒径が30μm以下であり、且つ押出方向に直交する面における全結晶粒のうち、前記押出軸と[001]軸(c軸)とのなす角が45゜以下である結晶粒が占める面積の割合が全結晶粒面積の10%以下にすることができる。   Furthermore, crystal grains having an average particle diameter of 30 μm or less and having an angle between the extrusion axis and the [001] axis (c-axis) of 45 ° or less among all the crystal grains in a plane perpendicular to the extrusion direction. Can be set to 10% or less of the total crystal grain area.

本願第2発明に係る熱電材料の製造方法は、Bi及びSbからなる群から選択された少なくとも1種の元素と、Te及びSeからなる群から選択された少なくとも1種の元素とからなる組成を有する熱電材料の製造方法において、前記組成のインゴット又はその粉砕粉に対し、加圧軸と押出軸とが一軸上にないダイスを使用してせん断加工する押出処理を少なくとも1回行う工程と、を有することを特徴とする。   The method for producing a thermoelectric material according to the second invention of the present application includes a method of forming a composition comprising at least one element selected from the group consisting of Bi and Sb and at least one element selected from the group consisting of Te and Se. In the method for producing a thermoelectric material having, the ingot or the pulverized powder of the composition is subjected to at least one extrusion process of performing a shearing process using a die having a pressing axis and an extruding axis that are not coaxial. It is characterized by having.

本発明においては、インゴット又はその粉砕粉に対して加圧軸と押出軸とが一軸上にないダイスにより押出処理しているので、液体急冷法により得られた薄片を使用した場合と同様に、キャリア濃度を制御して高いゼーベック係数αが得られると共に、(001)面(c面)の配向が揃って電気抵抗が低い高性能の熱電材料を得ることができる。   In the present invention, since the ingot or its pulverized powder is extruded with a die in which the pressure axis and the extrusion axis are not uniaxial, as in the case of using a flake obtained by the liquid quenching method, A high Seebeck coefficient α can be obtained by controlling the carrier concentration, and a high-performance thermoelectric material having a low electric resistance with a uniform (001) plane (c-plane) orientation can be obtained.

なお、前記押出処理において押出方向に対して反対の方向から加圧荷重よりも小さい荷重を被押出材に印加することができる。   In the extrusion process, a load smaller than the pressure load can be applied to the material to be extruded from a direction opposite to the extrusion direction.

また、前記押出処理を少なくとも1回行う工程は、前記押出処理後に、加圧軸及び押出軸を有する平面上で前記押出軸に直交する方向にホットプレス処理してもよい。   In the step of performing the extrusion process at least once, after the extrusion process, a hot press process may be performed on a plane having a pressing axis and an extrusion axis in a direction orthogonal to the extrusion axis.

更に、前記押出処理を少なくとも1回行う工程は、前記押出処理を2回以上行い、最終押出工程におけるダイス出口の断面積がダイス入口の断面積よりも小さくすることができる。   Further, in the step of performing the extrusion processing at least once, the extrusion processing is performed twice or more, and the cross-sectional area of the die outlet in the final extrusion step can be smaller than the cross-sectional area of the die inlet.

更にまた、前記押出処理における前記加圧軸と押出軸とがなす角度は、60乃至150゜であることが好ましく、特に、90乃至120゜であることが更に好ましい。   Furthermore, the angle between the pressure axis and the extrusion axis in the extrusion process is preferably 60 to 150 °, and more preferably 90 to 120 °.

更にまた、前記押出処理は、前記ダイスの出口の断面積に対する前記ダイスの入口の断面積の比である押出比((ダイス入口の断面積)/(ダイス出口の断面積))を4.5以上にすることができる。   Furthermore, in the extrusion process, the extrusion ratio ((cross-sectional area of die entrance) / (cross-sectional area of die exit)), which is a ratio of the cross-sectional area of the entrance of the die to the cross-sectional area of the exit of the die, is 4.5. Or more.

更にまた、前記押出処理における加工温度は、300乃至600℃であることが好ましく、特に320乃至450℃であることが更に好ましい。   Further, the processing temperature in the extrusion treatment is preferably from 300 to 600 ° C, more preferably from 320 to 450 ° C.

更にまた、前記押出処理における押出速度は、例えば0.01乃至1mm/分である。   Furthermore, the extrusion speed in the extrusion treatment is, for example, 0.01 to 1 mm / min.

本願第3発明に係るペルチェモジュールは、前述の熱電材料から切り出されその最も電気抵抗が低い方位に通電される熱電素子を有することを特徴とする。   The Peltier module according to the third invention of the present application is characterized in that it has a thermoelectric element cut out of the above-mentioned thermoelectric material and energized in the direction with the lowest electric resistance.

以上詳述したように、本発明によれば、インゴット又はその粉砕粉を使用し、加圧軸と押出軸とが一軸上にないダイスにより押出処理することにより、均質且つ一方向に(001)面(c面)を揃えた熱電材料を得ることができ、これにより、電気抵抗を低減させることができ、高性能の熱電材料を得ることができる。また、特別な添加元素を添加することなく、高性能化することができ添加元素の制御が不要であるため製造が容易である。   As described in detail above, according to the present invention, the ingot or the pulverized powder thereof is extruded with a die in which the pressing shaft and the extruding shaft are not coaxial, so that (001) A thermoelectric material having a uniform surface (c-plane) can be obtained, whereby the electric resistance can be reduced and a high-performance thermoelectric material can be obtained. Further, the performance can be improved without adding a special additive element, and the control of the additive element is unnecessary, so that the production is easy.

以下、本発明の実施例に係る熱電材料及びその製造方法について、添付の図面を参照して具体的に説明する。図1(a)及び(b)は本発明の第1の実施例に係る熱電材料を模式的に示す夫々斜視図及び上面図である。   Hereinafter, a thermoelectric material according to an embodiment of the present invention and a method for manufacturing the same will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIGS. 1A and 1B are a perspective view and a top view, respectively, schematically showing a thermoelectric material according to a first embodiment of the present invention.

本実施例の熱電材料は、Bi及びSbからなる群から選択された少なくとも1種の元素と、Te及びSeからなる群から選択された少なくとも1種の元素とからなる組成の溶融金属を液体急冷法(L.Q.法:liquid quenching method)により、急冷凝固させて一方向凝固した薄片を積層し、積層された薄片に対し、加圧軸と押出軸とが一軸上にないダイスを使用してせん断加工する押出処理(以下、単に押出ともいう。)を1回又は複数回行うことにより形成されたもの、又は上述の組成のインゴット又はそれを粉砕して得た粉に対し、加圧軸と押出軸とが一軸上にないダイスを使用してせん断加工する押出処理を1回又は複数回行うことにより形成されたものである。図1(a)及び(b)に示すように、本実施例の熱電材料1は、(001)面(c面)が一方向に揃ったものである。この熱電材料1の使用方向を矢印Aに示す方向とすれば、[001]軸(c軸)の方向が材料使用方向に直交し、熱電材料1の比抵抗は極めて小さいものとなる。また、熱電材料1は、液体急冷法により製造された薄片が使用されている場合には、極めて微細で且つ均質であり、高いゼーベック係数αを有する。   The thermoelectric material of the present embodiment is a liquid quenching method for a molten metal having a composition comprising at least one element selected from the group consisting of Bi and Sb and at least one element selected from the group consisting of Te and Se. The quenched and coagulated flakes are unidirectionally solidified by the liquid quenching method (LQ method), and a die having a pressing axis and an extruding axis not on one axis is used for the laminated flakes. Formed by performing an extrusion process (hereinafter, also simply referred to as "extrusion") once or a plurality of times, or an ingot of the above-described composition or a powder obtained by pulverizing the same. It is formed by performing one or more times of an extrusion process of performing a shearing process using a die in which the and the extrusion shaft are not coaxial. As shown in FIGS. 1A and 1B, the thermoelectric material 1 of the present embodiment has (001) plane (c plane) aligned in one direction. If the direction in which the thermoelectric material 1 is used is the direction indicated by the arrow A, the direction of the [001] axis (c-axis) is orthogonal to the direction in which the material is used, and the specific resistance of the thermoelectric material 1 is extremely small. Further, when a flake manufactured by the liquid quenching method is used, the thermoelectric material 1 is extremely fine and homogeneous, and has a high Seebeck coefficient α.

また、本実施例の熱電材料1を形成するための溶融金属には、I、Cl、Hg、Br、Ag又はCu等のハロゲン元素が1種又は2種以上添加されていてもよい。ハロゲン元素は、Bi、Te及びSeに対して例えば0.1質量%SbIを加えたり、Bi、Sb、Te及びSeに対して例えば0.09質量%HgBrで添加したりする。I、Cl、Hg、Br、Ag及びCuの添加によりキャリア濃度を制御することができ、ゼーベック係数を向上させることができる。 Further, one or more halogen elements such as I, Cl, Hg, Br, Ag or Cu may be added to the molten metal for forming the thermoelectric material 1 of the present embodiment. The halogen element is added, for example, with 0.1 mass% SbI to Bi, Te and Se, or added with, for example, 0.09 mass% HgBr 2 for Bi, Sb, Te and Se. By adding I, Cl, Hg, Br, Ag and Cu, the carrier concentration can be controlled and the Seebeck coefficient can be improved.

溶融金属は、例えば次のような方法により得ることができる。先ず、上述の元素の原料粉末を所定の化学量論比となるように秤量した後、石英ガラス管に真空封入する。次いで、これを加熱して溶融させ、撹拌した後、凝固させて原料インゴットを得る。そして、この原料インゴットを溶融させることにより溶融金属が得られる。   The molten metal can be obtained, for example, by the following method. First, the raw material powders of the above-mentioned elements are weighed so as to have a predetermined stoichiometric ratio, and then vacuum-sealed in a quartz glass tube. Next, this is heated and melted, stirred, and then solidified to obtain a raw material ingot. Then, a molten metal is obtained by melting the raw material ingot.

また、液体急冷としては、双ロール法、単ロール法、ガスアトマイズ法又は回転ディスク法のいずれを採用してもよい。この液体急冷により、BiTe系熱電材料の均質な薄片又は粉末が得られる。 As the liquid quenching, any of a twin roll method, a single roll method, a gas atomizing method, and a rotating disk method may be employed. By this liquid quenching, a homogeneous flake or powder of the Bi 2 Te 3 -based thermoelectric material is obtained.

更に、本実施例の熱電材料は、平均粒径が30μm以下であり、且つ押出方向に直交する面における全結晶粒のうち、Electron Back Scattering Pattern(以下、EBSPという。)により測定された前記押出軸と[001]軸とのなす角(以下、c軸の傾角という)が45゜以下である結晶粒が占める面積の割合が全結晶粒面積の10%以下である。図2は、加圧軸と押出軸とがなす角(ダイス傾角)が90゜のダイスを示す模式図である。   Further, the thermoelectric material of the present example has an average particle size of 30 μm or less and, among all the crystal grains in a plane perpendicular to the extrusion direction, the extrusion measured by an Electron Back Scattering Pattern (hereinafter, referred to as EBSP). The ratio of the area occupied by crystal grains whose angle between the axis and the [001] axis (hereinafter referred to as the c-axis tilt angle) is 45 ° or less is 10% or less of the total crystal grain area. FIG. 2 is a schematic diagram showing a die in which the angle (die inclination angle) between the pressing shaft and the extrusion shaft is 90 °.

図2に示すように、ダイス傾角θが90゜のダイス2は、材料が加圧される加圧部2aと、加圧部2aとは直行する方向に設けられた押出部2bとからなる。即ち、加圧軸Bと押出軸Cとは直行している。本実施例においては、加圧部2aの断面積に比して押出部2bの断面積が小さくなっている。加圧部2aの材料に対して、加圧部2aの上面から挿入されるパンチ(図示せず)により加圧すると、材料が加圧軸B方向に加圧されて押出部2bへ押し出される。これにより、材料に剪断応力を負荷し、加圧軸Bから押出軸Cへの回転によって材料の結晶方向を揃えることができる。押出部2bに押し出された材料は、ダイス2の側面から押し出される。 As shown in FIG. 2, the die inclination theta 1 is 90 ° die 2 is composed of a pushing portion 2b provided in a direction orthogonal includes a pressing 2a which material is pressurized, the pressure portion 2a . That is, the pressure axis B and the extrusion axis C are perpendicular to each other. In this embodiment, the cross-sectional area of the extruded portion 2b is smaller than the cross-sectional area of the pressurized portion 2a. When the material of the pressing unit 2a is pressed by a punch (not shown) inserted from the upper surface of the pressing unit 2a, the material is pressed in the pressing axis B direction and extruded to the extruding unit 2b. Thereby, a shear stress is applied to the material, and the crystal direction of the material can be aligned by rotation from the pressing axis B to the extrusion axis C. The material extruded into the extruding portion 2b is extruded from the side surface of the die 2.

このような押出処理をされた熱電材料は、その平均結晶粒径が30μm以下となっている。また、押出方向(押出軸Cの方向)に垂直な面における全結晶粒に対して[001]軸3と、押出軸Cとのなす角(c軸の傾角)θが45゜以下である結晶粒の面積占有率が10%以下となる。 The thermoelectric material subjected to such an extrusion treatment has an average crystal grain size of 30 μm or less. Further, the [001] axis 3 relative to the total crystal grains in a plane perpendicular to the extrusion direction (direction of extrusion axis C), an angle (inclination angle of the c-axis) theta 2 between the extrusion axis C is at 45 ° or less The area occupancy of the crystal grains is 10% or less.

c軸の傾角が45゜以下の面積占有率が高くなると、抵抗率が高くなる。この面積占有率が10%を超えると、熱電材料の比抵抗値が1.2×10−5Ωmより高くなってしまう。従って、c軸の傾角が45゜以下の結晶粒を押出方向に直交する面における全結晶粒の10%以下とすることが好ましい。 The resistivity increases as the area occupancy increases when the inclination angle of the c-axis is 45 ° or less. If the area occupancy exceeds 10%, the specific resistance value of the thermoelectric material becomes higher than 1.2 × 10 −5 Ωm. Therefore, it is preferable that the crystal grains having a c-axis tilt angle of 45 ° or less be 10% or less of all the crystal grains in a plane perpendicular to the extrusion direction.

c軸の傾角の割合はEBSPにより測定することができる。EBSPでは、走査型電子顕微鏡(SEM)で観察される結晶構造に対して出現する回折面の交点間の距離(角度)を読みとることで試料の面方位を決定することができる。本発明では、押出により結晶方位が揃った熱電材料が得られるが、EBSPによりc軸の傾角を測定する場合は、熱電材料の測定面を研磨し、平坦にする。   The inclination ratio of the c-axis can be measured by EBSP. In EBSP, the plane orientation of a sample can be determined by reading the distance (angle) between intersections of diffraction planes that appear with respect to a crystal structure observed by a scanning electron microscope (SEM). In the present invention, a thermoelectric material having a uniform crystal orientation is obtained by extrusion. However, when measuring the tilt angle of the c-axis by EBSP, the measurement surface of the thermoelectric material is polished and flattened.

なお、押出方向に垂直な面をX線回折法(2θ/θ法(ディフラクトメータ方式))により測定した回折線プロファイルは、(015)面の回折強度に比較して(110)面の回折強度が大きいことが好ましい。これは、(015)面より(110)面の回折強度が大きいと良好な電気特性が得られるためである。また、押出方向と平行な面であって、加圧方向及び前記押出方向で規定される平面内で、押出方向に対して垂直な面をX線回折法により測定した回折線プロファイルは、(006)面の回折強度が(015)面の回折強度より大きく、且つ(006)面のロッキングカーブ測定での半値幅が10゜以下であることが好ましい。このような条件を満たすことにより、良好な電気特性が得られる。   The diffraction line profile obtained by measuring the plane perpendicular to the extrusion direction by the X-ray diffraction method (2θ / θ method (diffractometer method)) indicates that the diffraction intensity of the (110) plane is larger than that of the (015) plane. Preferably, the strength is high. This is because good electrical characteristics can be obtained when the diffraction intensity of the (110) plane is higher than that of the (015) plane. A diffraction line profile obtained by measuring a plane parallel to the extrusion direction and a plane perpendicular to the extrusion direction in a plane defined by the pressing direction and the extrusion direction by an X-ray diffraction method is (006). It is preferable that the diffraction intensity of the (015) plane is larger than the diffraction intensity of the (015) plane, and the half width in rocking curve measurement of the (006) plane is 10 ° or less. By satisfying such conditions, good electrical characteristics can be obtained.

このように構成された本実施例においては、従来材にない優れた熱電物性を得ることができる。上述した如く、優れた熱電物性を有するn型の熱電材料の製造は困難であったため、p型と同等な熱電性能を有するn型の熱電材料を得るためには、抵抗を下げるためにp型熱電材料以上の配向性が求められる。また、ゼーベック係数を向上させるためにキャリア濃度を制御することが必要であり、更に、熱伝導率を低下させるために熱電材料の結晶粒を微細化することが必要である。しかし、本実施例においては、出発材料を液体急冷法で製造することにより、ハロゲン元素を添加することなく微細且つキャリア濃度を制御することができる。そして、加圧軸と押出軸とが一軸上にないダイスによる押出処理により微細で且つ強配向とすることができるので、n型熱電材料であってもp型熱電材料と同等の性能を得ることができる。   In the present embodiment configured as described above, it is possible to obtain excellent thermoelectric properties not available in conventional materials. As described above, since it was difficult to produce an n-type thermoelectric material having excellent thermoelectric properties, in order to obtain an n-type thermoelectric material having the same thermoelectric performance as a p-type, it was necessary to reduce the resistance by using a p-type thermoelectric material. Alignment higher than thermoelectric materials is required. In addition, it is necessary to control the carrier concentration in order to improve the Seebeck coefficient, and it is necessary to refine the crystal grains of the thermoelectric material in order to reduce the thermal conductivity. However, in this embodiment, by manufacturing the starting material by the liquid quenching method, it is possible to finely control the carrier concentration without adding a halogen element. Then, since the pressing shaft and the extrusion shaft can be finely and strongly oriented by extrusion using a die in which the pressing shaft and the extrusion shaft are not uniaxial, even if the n-type thermoelectric material is used, the same performance as the p-type thermoelectric material can be obtained. Can be.

次に、本発明の第2の実施例として、第1の実施例に係る熱電材料を製造する方法について説明する。   Next, as a second embodiment of the present invention, a method for manufacturing the thermoelectric material according to the first embodiment will be described.

第2の実施例では、先ず、Bi及びSbからなる群から選択された少なくとも1種の元素と、Te及びSeからなる群から選択された少なくとも1種の元素とからなる(Bi,Sb)(Te,Se)組成のインゴットを作製し、溶融金属としてから液体急冷法により急冷凝固させて(001)面(c面)が一方向凝固した薄片(以下、急冷箔という)を作製する。次いで、水素還元及び焼結する。その後、加圧軸と押出軸とが一軸上にないダイスを使用してせん断加工する押出処理を1回又は複数回行う。その後、熱処理することにより熱電材料を得る。 In the second embodiment, first, at least one element selected from the group consisting of Bi and Sb and at least one element selected from the group consisting of Te and Se are (Bi, Sb) 2. (Te, Se) An ingot of three compositions is produced, and then solidified rapidly by a liquid quenching method from a molten metal to produce a flake having a (001) plane (c plane) unidirectionally solidified (hereinafter, referred to as a rapidly cooled foil). Next, hydrogen reduction and sintering are performed. After that, an extrusion process of performing a shearing process using a die in which the pressure axis and the extrusion axis are not on one axis is performed once or a plurality of times. Thereafter, a heat treatment is performed to obtain a thermoelectric material.

第2の実施例によれば、液体急冷法により作製したBiTe薄を使用し、加圧軸と押出軸とが一軸上にないダイスによる押出により、一方向に(001)面を揃えることができる。従って、電気抵抗を低減し、ゼーベック係数α/比抵抗ρで表される出力因子(パワーファクタ(P.F.))を高くすることができる。更に、出発材の急冷箔は、均質且つ微細な組織を有するため熱電材料の熱伝導率が低く、高い強度が得られる。 According to the second embodiment, the (001) plane is aligned in one direction by extrusion using a die in which the pressure axis and the extrusion axis are not uniaxial, using Bi 2 Te 3 thin film produced by the liquid quenching method. be able to. Therefore, the electric resistance can be reduced, and the output factor (power factor (PF)) represented by the Seebeck coefficient α / specific resistance ρ can be increased. Furthermore, since the quenched foil of the starting material has a homogeneous and fine structure, the thermal conductivity of the thermoelectric material is low, and high strength is obtained.

図3(a)は第2の実施例の押出法を示す模式図、図3(b)は従来の押出法を示す模式図である。本実施例においては、加圧軸と押出軸とが一軸上にないダイスにより押出処理するため、図3(a)に示すように、(001)面が同一方向に揃った配向組織を得ることができる。これに対して、図3(b)に示すように、従来の押出材においては、絞り加工によってc面を滑らせて配向させているので、ダイスの円柱の中心軸に向かってc軸が配向すると共に、円周方向で加工度が大きくなり、表面付近の加工度が中心部の加工度よりも高くなって物性の分布が生じる。   FIG. 3A is a schematic diagram illustrating an extrusion method of the second embodiment, and FIG. 3B is a schematic diagram illustrating a conventional extrusion method. In this example, since the extrusion process is performed by a die in which the pressing axis and the extrusion axis are not on one axis, as shown in FIG. 3A, it is possible to obtain an oriented structure in which the (001) plane is aligned in the same direction. Can be. On the other hand, as shown in FIG. 3B, in the conventional extruded material, the c-plane is oriented by sliding the c-plane by drawing, so that the c-axis is oriented toward the center axis of the cylinder of the die. At the same time, the degree of processing increases in the circumferential direction, and the degree of processing near the surface becomes higher than the degree of processing at the center, resulting in a distribution of physical properties.

更に、出発材料の組成としては、Te/Seが、2.5/0.5乃至2.7/0.3とすると、温度特性がよい。図4は、横軸に温度をとって、縦軸に出力因子の変化率をとって、(Bi,Sb)(Te,Se)組成の温度特性を示すグラフ図である。なお、出力因子の変化率は室温(25℃)の出力因子を1としたときの変化率を示す。図4に示すように、LDモジュール等として実際に使用される温度範囲−20乃至100℃において、Te/Seが2.5/0.5乃至2.7/0.3であるものの出力因子が高い。 Further, if the composition of the starting material is such that Te / Se is 2.5 / 0.5 to 2.7 / 0.3, the temperature characteristics are good. FIG. 4 is a graph showing the temperature characteristics of the (Bi, Sb) 2 (Te, Se) 3 composition, with the horizontal axis representing the temperature and the vertical axis representing the rate of change of the output factor. The output factor change rate indicates a change rate when the output factor at room temperature (25 ° C.) is set to 1. As shown in FIG. 4, in a temperature range of −20 to 100 ° C. actually used as an LD module or the like, the output factor of Te / Se is 2.5 / 0.5 to 2.7 / 0.3. high.

次に、第2の実施例に係る熱電材料の製造方法について、更に詳細に説明する。上述の押出処理において、本実施例で使用するダイスは加圧軸と押出軸とが一軸上にない。これにより、剪断加工を加えて押出処理することができる。このダイスの加圧軸と押出軸とがなす角(以下、ダイス傾角という)は60乃至150゜であることが好ましい。これは、ダイス傾角が60゜未満であると、良好な形状の押出材を得ることができない虞があり、逆にダイス傾角が150゜を超えると、せん断加工の効果を十分に得ることができないことがあるからである。また、ダイス傾角が90乃至120゜であると、更に好ましい。本実施例においては、図2に示すダイス傾角90゜のもの以外に、ダイス傾角が60乃至150゜のものを使用することができる。所謂押出加工に使用されるダイスにおけるテーパ部分(ダイス角)は有しておらす、材料は加圧軸と押出軸とが交わる屈曲部において絞られる。   Next, a method for manufacturing a thermoelectric material according to the second embodiment will be described in more detail. In the extrusion process described above, the die used in the present embodiment does not have the pressing shaft and the extrusion shaft on one axis. Thereby, extrusion processing can be performed by adding shearing processing. It is preferable that the angle between the pressing axis and the extrusion axis of the die (hereinafter, referred to as the die inclination angle) is 60 to 150 °. If the die inclination angle is less than 60 °, there is a possibility that an extruded material having a good shape may not be obtained. Conversely, if the die inclination angle exceeds 150 °, the effect of the shearing process cannot be sufficiently obtained. This is because there are times. Further, it is more preferable that the die inclination angle is 90 to 120 °. In this embodiment, a die having a dice inclination of 60 to 150 degrees can be used in addition to the dice inclination of 90 degrees shown in FIG. A tapered portion (die angle) in a die used for so-called extrusion processing is provided, and the material is squeezed at a bent portion where the pressing shaft and the extrusion shaft intersect.

また、押出処理する際の加工温度は300乃至600℃であることが好ましい。これは、加工温度が300℃未満であると、熱電材料の焼結及び緻密化が進行せずに電気抵抗が増加することがあり、加工温度が600℃を超えると、熱電材料が溶解する虞があるからである。   Further, the processing temperature at the time of the extrusion treatment is preferably 300 to 600 ° C. If the processing temperature is lower than 300 ° C., the electric resistance may increase without sintering and densification of the thermoelectric material. If the processing temperature exceeds 600 ° C., the thermoelectric material may be melted. Because there is.

下記表1に、押出処理における押出条件(ダイス傾角及び加工温度)と結晶粒径及び性能指数Zとの関係を示す。なお、これらは全てBi1.9Sb0.1Te2.6Se0.4の組成を有する材料を使用し、押出比6.54、押出速度0.1mm/分で押出処理したものである。 Table 1 below shows the relationship between the extrusion conditions (die tilt angle and processing temperature) in the extrusion treatment, the crystal grain size, and the performance index Z. In addition, all of these materials were formed by using a material having a composition of Bi 1.9 Sb 0.1 Te 2.6 Se 0.4 and extruding at an extrusion ratio of 6.54 and an extrusion speed of 0.1 mm / min. .

Figure 2004363620
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押出処理の加工温度が低く、ダイス傾角が小さいほど加工に要する加重が増加し、押し詰まりが起こりやすくなる。また、加工温度が高いほど、再結晶組成の成長が顕著になり、配向が崩れる。更に、加工温度が600℃を超えると熱電材料の融点を超える場合がある。これにより、熱電材料の性能指数が低下する。従って、ダイス傾角は60乃至150゜、加工温度は300乃至600℃とすることが好ましい。また、ダイス傾角を90乃至120゜、加工温度を320乃至450℃とすることが更に好ましい。これにより、3.0×10−3/K以上の高い性能指数Zを得ることができる。 The lower the processing temperature of the extrusion process and the smaller the inclination angle of the die, the greater the load required for the processing, and the more likely it is to cause clogging. In addition, as the processing temperature is higher, the growth of the recrystallized composition becomes remarkable, and the orientation is lost. Further, when the processing temperature exceeds 600 ° C., the melting point of the thermoelectric material may be exceeded. This lowers the figure of merit of the thermoelectric material. Therefore, it is preferable that the die inclination angle is 60 to 150 ° and the processing temperature is 300 to 600 ° C. More preferably, the die inclination angle is 90 to 120 ° and the processing temperature is 320 to 450 ° C. Thereby, a high figure of merit Z of 3.0 × 10 −3 / K or more can be obtained.

また、押出処理において、ダイスの出口面積に対するダイスの入口面積の比である押出比((ダイス入口の断面積)/(ダイス出口の断面積))が4.5以上であることが好ましい。また、押出処理を2回以上行う場合は、最終押出工程の押出比が4.5以上であることが好ましい。図5(a)及び(b)はダイス傾角135゜を有する夫々押出比1及び押出比4のダイスを示す模式図である。図5(a)及び(b)に示すダイスは、上方から加圧し、側方に押し出すタイプのダイスである。従って、ダイス上面にダイス入口が設けられ、ダイス側面にダイス出口が設けられている。押出比が高いもの、即ち、図5(a)に示す押出比1のダイスより、図5(b)に示す押出比4のダイスを使用して剪断付与押出により絞り加工すると、結晶粒がより微細になり、配向性が向上すると共に、熱電材料の相対密度が高くなる。   In the extrusion process, the extrusion ratio ((cross-sectional area of die entrance) / (cross-sectional area of die exit)), which is the ratio of the area of the die entrance to the area of the exit of the die, is preferably 4.5 or more. When the extrusion process is performed twice or more, the extrusion ratio in the final extrusion step is preferably 4.5 or more. FIGS. 5A and 5B are schematic diagrams showing dies having an extrusion angle of 135 ° and an extrusion ratio of 1 and an extrusion ratio of 4, respectively. The dies shown in FIGS. 5A and 5B are dies of a type in which pressure is applied from above and pushed out to the side. Therefore, a die inlet is provided on the upper surface of the die, and a die outlet is provided on the side surface of the die. When a die having a high extrusion ratio, that is, a die having an extrusion ratio of 1 shown in FIG. 5A and a die having an extrusion ratio of 4 shown in FIG. It becomes finer, the orientation improves, and the relative density of the thermoelectric material increases.

図6は、Bi1.9Sb0.1Te2.6Se0.4の組成を有する材料について、横軸に押出比((ダイス入口の断面積)/(ダイス出口の断面積))をとって、縦軸に相対密度をとって、押出比と相対密度との関係を示すグラフ図である。なお、ASTM(JCPDS)カードに記載のBiTeの密度7.858g/cmを100%として相対密度を求めた。 FIG. 6 shows that for a material having a composition of Bi 1.9 Sb 0.1 Te 2.6 Se 0.4 , the abscissa indicates the extrusion ratio ((cross-sectional area at die entrance) / (cross-sectional area at die exit)). FIG. 3 is a graph showing the relationship between the extrusion ratio and the relative density, with the relative density taken on the vertical axis. The relative density was determined by setting the density of Bi 2 Te 3 described in the ASTM (JCPDS) card of 7.858 g / cm 3 to 100%.

熱電材料は、相対密度が低いと電気抵抗が高くなるため、相対密度が98%以上であることが好ましい。図6に示すように、押出比が4.5以上であれば、相対密度98%以上を得ることができる。従って、押出比は4.5以上とすることが好ましい。また、2回以上行う場合は、最終押出工程のみ押出比が4.5以上であって、それ以前の押出工程においては、押出比が4.5未満であっても、相対密度98%以上を得ることができる。   The thermoelectric material preferably has a relative density of 98% or more because the electrical resistance increases when the relative density is low. As shown in FIG. 6, when the extrusion ratio is 4.5 or more, a relative density of 98% or more can be obtained. Therefore, the extrusion ratio is preferably set to 4.5 or more. In the case where the extrusion is performed twice or more, the extrusion ratio is 4.5 or more only in the final extrusion process, and even if the extrusion ratio is less than 4.5 in the previous extrusion process, the relative density is 98% or more. Obtainable.

更に、2回以上押出処理する場合は、2回目にダイスに挿入する熱電材料の向きを以下に説明する2つの方向のいずれかにすることが好ましい。図7(a)及び図7(b)は本実施例のダイスに挿入する熱電材料を示す模式図である。図7(a)に示すように、ダイス24の上面に設けられた正方形の入口から、断面が正方形の材料20を挿入して側方の出口から材料20を押し出す。図7においては、ダイス出口から最も離隔する位置でダイスと接する材料20の加圧軸に平行な面を13とし、他の加圧軸に平行な面を夫々時計回りに14、11、12とする。1つめの材料の挿入方向としては、1回目に押出処理する際、材料20の押出方向に平行な面11乃至14がダイス24に接する面が2回目に押出処理をするときも1回目と同一の面、即ち、ダイス出口から最も離隔する位置でダイスと接する面が材料20の面13となるようにする。これにより、材料20の結晶粒を配向方向に引き延ばすことができる。2つめの材料の挿入方向としては、1回目の押出処理において、材料20の挿入方向を図7(a)に示す方向とし、2回目の押出処理において、図7(b)に示すように、1回目で材料20が押出処理された材料20の面13の対向面11が2回目の押出処理においてダイス出口から最も離隔する位置でダイスと接するように挿入する。即ち、2回目の材料20は、1回目の材料20の向きを180゜回転した状態でダイスに挿入する。これにより、材料20の結晶粒径を変化させずに配向を付与することができる。   Further, in the case of performing the extrusion process twice or more, it is preferable that the direction of the thermoelectric material inserted into the die for the second time is one of the two directions described below. FIGS. 7A and 7B are schematic diagrams showing a thermoelectric material to be inserted into the die of the present embodiment. As shown in FIG. 7A, a material 20 having a square cross section is inserted from a square entrance provided on the upper surface of the die 24, and the material 20 is extruded from a lateral exit. In FIG. 7, the surface parallel to the pressing axis of the material 20 in contact with the die at the position furthest away from the die outlet is denoted by 13, and the surfaces parallel to the other pressing axes are clockwise 14, 11, and 12, respectively. I do. The first material insertion direction is the same as that of the first extrusion process when the first extrusion process is performed, and the surfaces 11 to 14 parallel to the extrusion direction of the material 20 are in contact with the die 24 when the second extrusion process is performed. , That is, the surface in contact with the die at the position furthest away from the die outlet is the surface 13 of the material 20. Thereby, the crystal grains of the material 20 can be elongated in the orientation direction. As the insertion direction of the second material, in the first extrusion process, the insertion direction of the material 20 is set to the direction shown in FIG. 7A, and in the second extrusion process, as shown in FIG. The material 20 is inserted in such a manner that the opposing surface 11 of the surface 13 of the material 20 from which the material 20 has been extruded at the first time is in contact with the die at the position farthest from the die outlet in the second extrusion process. That is, the second material 20 is inserted into the die with the orientation of the first material 20 rotated by 180 °. Thereby, the orientation can be provided without changing the crystal grain size of the material 20.

また、押出処理は2回以上した方が押出処理1回より性能指数が高いものとなる。図8は横軸に押出処理の回数をとり、縦軸に平均結晶粒径及び最大せん断応力をとって両者の関係を示すグラフ図である。図8において、●は平均結晶粒径を示し、×は最大せん断応力を示す。図8に示す結果は、加圧軸と押出軸とが90゜の傾角をなす金型(ダイス)に原料の薄片を充填した後、温度が450℃のAr雰囲気中で加圧軸速度を0.03mm/分としてせん断変形させながら押出処理したときのものである。図8に示すように、押出処理の回数が増加にするに連れて、結晶粒が微細化すると共に、最大せん断応力が増加する。   The performance index is higher when the extrusion process is performed twice or more than when the extrusion process is performed once. FIG. 8 is a graph showing the relationship between the number of extrusion processes on the horizontal axis and the average crystal grain size and the maximum shear stress on the vertical axis. In FIG. 8, ● indicates the average crystal grain size, and X indicates the maximum shear stress. The results shown in FIG. 8 show that after filling the flakes of the raw material into a mold (die) in which the pressing shaft and the extruding shaft make an inclination angle of 90 °, the pressing shaft speed was reduced to 0 in an Ar atmosphere at a temperature of 450 ° C. It is the one when extrusion processing was performed while performing shear deformation at 0.03 mm / min. As shown in FIG. 8, as the number of times of the extrusion process increases, the crystal grains become finer and the maximum shear stress increases.

更に、押出処理1回目と押出処理2回目とでダイスを変える場合は、1回目で使用するダイスの出口の断面積と2回目で使用するダイスの入口の断面積とを同一とし、2回目の押出処理にて絞ることが好ましい。   Furthermore, when the dies are changed between the first extrusion process and the second extrusion process, the cross-sectional area of the outlet of the die used in the first process is the same as the cross-sectional area of the inlet of the die used in the second process, and the second process is performed. It is preferable to squeeze by extrusion.

更に、押出処理における押出速度は0.01乃至1mm/分であることが好ましい。また、この押出速度は0.05乃至0.2mm/分であると更に好ましい。これは、押出速度が0.01mm/分未満であると、加工に要する時間が長く生産効率が低下し、押出速度が1mm/分を超えると、押出荷重の増大及び密度の低下が生じやすくなるからである。   Further, the extrusion speed in the extrusion treatment is preferably 0.01 to 1 mm / min. Further, the extrusion speed is more preferably 0.05 to 0.2 mm / min. This is because if the extrusion speed is less than 0.01 mm / min, the processing time is long and the production efficiency decreases, and if the extrusion speed exceeds 1 mm / min, the extrusion load increases and the density tends to decrease. Because.

下記表2は押出速度と性能指数の関係を示す。なお、表2は、全て、押出温度を450℃とし、ダイス傾角が90゜であるダイスを使用して押出処理した熱電材料の測定値を示す。   Table 2 below shows the relationship between the extrusion speed and the figure of merit. In addition, Table 2 shows the measured values of the thermoelectric materials extruded using a die having an extrusion temperature of 450 ° C. and a die inclination angle of 90 °.

Figure 2004363620
Figure 2004363620

表2に示すように、押出速度が0.01乃至1mm/分であると、高い性能指数が得られ、更に押出速度は0.05乃至0.2mm分とすることにより、3.0×10−3/K以上の性能指数を得ることができる。 As shown in Table 2, when the extrusion speed is 0.01 to 1 mm / min, a high figure of merit is obtained, and when the extrusion speed is 0.05 to 0.2 mm min, 3.0 × 10 3 A performance index of −3 / K or more can be obtained.

更にまた、押出処理後に、加圧軸及び押出軸を有する平面上で前記押出軸と直交する方向に、例えばAr雰囲気中で放電プラズマ焼結法(SPS)又は鍛造によりホットプレス処理する工程を有することが好ましい。図9は、横軸にゼーベック係数αをとり、縦軸に比抵抗(電気抵抗率)ρをとって、本発明方法により製造されたn型熱電材料の電気物性を示すグラフ図である。   Furthermore, after the extrusion process, there is a step of performing a hot press process by a discharge plasma sintering method (SPS) or forging in a direction perpendicular to the extrusion axis on a plane having a pressure axis and an extrusion axis, for example, in an Ar atmosphere. Is preferred. FIG. 9 is a graph showing the electrical properties of an n-type thermoelectric material manufactured by the method of the present invention, with the horizontal axis representing the Seebeck coefficient α and the vertical axis representing the specific resistance (electrical resistivity) ρ.

図9においては、○はホットプレス(H.P.)材、△は押出材、×は押出後ホットプレスを行った材料の電気物性を示す。○で示すホットプレス材は、比較のため、第2の実施例におけるものと同一の液体急冷法により作製した急冷箔片を使用して、ホットプレス装置により固化成形したものである。△で示す押出材は、第2の実施例により作製したものであって、急冷箔片をダイス傾角90℃、加工温度450℃、押出速度0.1mm/分の条件で押出処理したものである。また、×で示す材料は、△で示す押出材に更にホットプレス処理を行ったものである。なお、図9は、Bi1.9Sb0.1Te2.6Se0.4の材料を使用して測定した結果である。 In FIG. 9, ○ indicates a hot pressed (HP) material, Δ indicates an extruded material, and X indicates electrical properties of a material subjected to hot pressing after extrusion. The hot-pressed material indicated by 示 す was solidified and formed by a hot-press apparatus using a quenched foil piece prepared by the same liquid quenching method as that in the second embodiment for comparison. The extruded material indicated by Δ is the one produced according to the second embodiment, and is obtained by extruding a rapidly cooled foil piece under the conditions of a die inclination angle of 90 ° C., a processing temperature of 450 ° C., and an extrusion speed of 0.1 mm / min. . Further, the material indicated by x is obtained by further performing a hot press treatment on the extruded material indicated by △. FIG. 9 shows the results of measurement using a material of Bi 1.9 Sb 0.1 Te 2.6 Se 0.4 .

また、図9においては、(ゼーベック係数α)/(比抵抗ρ)で表される出力因子(P.F.)について、P.F.=3.0、3.5、4.0(×10−3W/(Km))で示される直線を合わせて示した。出力因子は性能指数Z=α/(ρ×κ)を熱伝導率κで除した数値に相当し、熱電特性を表す。出力因子は数値が大きいほど望ましく、同一直線上では同一の電気特性を示す。 In FIG. 9, the output factor (PF) represented by (Seebeck coefficient α) / (specific resistance ρ) is expressed by P.F. F. = 3.0, 3.5, 4.0 (× 10 −3 W / (K 2 m)). The output factor corresponds to a numerical value obtained by dividing the figure of merit Z = α 2 / (ρ × κ) by the thermal conductivity κ, and represents thermoelectric characteristics. The output factor is preferably as large as possible, and shows the same electrical characteristics on the same straight line.

図9に示すように、ホットプレス材は配向度が悪いため、ゼーベック係数は高くなるが、電気抵抗が高くなってしまう。このため、P.F.(出力因子)が3.0以下と小さくなっている。これに対して、△及び×で示す第2の実施例により製造した押出材の電気抵抗率は低くなっている。更に、押出処理後にホットプレス処理を行った材料は更に電気抵抗率が低くなっている。これは、押出処理が行われた材料に対し、加圧軸及び押出軸を有する平面上で前記押出軸と直交する方向にホットプレス処理することにより、押出により得られた結晶配向を維持しつつ、組織をより一層緻密なものにすることができるからである。   As shown in FIG. 9, since the hot-pressed material has a poor degree of orientation, the Seebeck coefficient is high, but the electrical resistance is high. For this reason, P. F. (Output factor) is as small as 3.0 or less. On the other hand, the electrical resistivity of the extruded material manufactured according to the second example shown by Δ and × is low. Further, the material subjected to the hot press treatment after the extrusion treatment has a lower electric resistivity. This is to maintain the crystal orientation obtained by extrusion by hot-pressing the extruded material on a plane having a pressure axis and an extrusion axis in a direction perpendicular to the extrusion axis. This is because the organization can be made more precise.

また、下記表3に押出後ホットプレスを行った材料のホットプレス条件と各性能との関係を示す。表3において、配向度比は、押出材(図9の△)の粉末X線回折における(006)ピーク強度を100としたときの各材料の(006)強度を示し、密度比は、押出材の密度を100としたときの各材料の密度を示し、性能比は、押出材の性能指数を100としたときの各材料の性能指数を示す。   Table 3 below shows the relationship between the hot pressing conditions and the performances of the materials subjected to hot pressing after extrusion. In Table 3, the orientation ratio indicates the (006) intensity of each material when the (006) peak intensity in the powder X-ray diffraction of the extruded material (△ in FIG. 9) is 100, and the density ratio indicates the extruded material. Indicates the density of each material when the density of the extruded material is 100, and the performance ratio indicates the performance index of each material when the performance index of the extruded material is 100.

Figure 2004363620
Figure 2004363620

なお、液体急冷後で押出処理前の薄片の水素還元は必ずしも必要なものではないが、例えば400℃の水素雰囲気中で還元処理を行うことにより、熱電材料の電気抵抗を低減することができる。下記表4に還元の有無に関係する各特性の比較結果を示す。   Although hydrogen reduction of the flakes after the liquid quenching and before the extrusion treatment is not always necessary, for example, by performing the reduction treatment in a hydrogen atmosphere at 400 ° C., the electrical resistance of the thermoelectric material can be reduced. Table 4 below shows a comparison result of each property related to the presence or absence of reduction.

Figure 2004363620
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表4に示すように、水素還元を行うことにより、比抵抗が2割程度低くなり、これに伴って、性能指数が1割程度向上している。   As shown in Table 4, the specific resistance was reduced by about 20% by performing the hydrogen reduction, and the figure of merit was improved by about 10%.

また、押出処理の際には、必ずしも薄片を積層する必要はないが、双ロール法及び単ロール法等のロール急冷法を採用して液体急冷を行った場合には、薄片が得られるため、この薄片をその厚さ方向に整列するように積層することにより押出処理における加工圧力を低減することができる。これは、箔(薄片)の厚さ方向に結晶のc面が整列しているため、積層により抵抗が低減されるためである。図10は積層の有無と押出荷重との関係を棒グラフにより示すグラフ図である。図10に示すように、薄片を積層した場合には、押出荷重が9.31kN/cm(0.95t重/cm)であったのに対し、積層しない場合には1.147kN/cm(1.17t重/cm)であった。 Also, at the time of the extrusion treatment, it is not always necessary to laminate the flakes, but when the liquid quenching is performed by employing a roll quenching method such as a twin roll method and a single roll method, since the flakes are obtained, By laminating the flakes so as to be aligned in the thickness direction, the processing pressure in the extrusion process can be reduced. This is because the resistance is reduced by lamination since the c-plane of the crystal is aligned in the thickness direction of the foil (flake). FIG. 10 is a graph showing the relationship between the presence or absence of lamination and the extrusion load by a bar graph. As shown in FIG. 10, when lamination was performed, the extrusion load was 9.31 kN / cm 2 (0.95 t weight / cm 2 ), whereas when the lamination was not performed, the extrusion load was 1.147 kN / cm 2. 2 (1.17 tons / cm 2 ).

更に、押出処理の際に、押出軸において押出方向(排出方向)に対して反対の方向から加圧軸における荷重よりも小さい荷重を材料に印加することが好ましい。図11は押出方向に対して反対方向から荷重を印加する様子を示す模式図である。例えば入口の断面積が19.6cm、出口の断面積が4cmのダイス24を使用して押出処理を行う場合、矢印31で示すように、450℃の温度条件下で0.3(mm/分)の速度で押出を行うときには、矢印32で示すように、4.9kN/cmの荷重を押出方向に対して反対の方向から材料20に印加すればよい。 Furthermore, during the extrusion process, it is preferable to apply a load smaller than the load on the pressing shaft to the material from a direction opposite to the extrusion direction (discharge direction) on the extrusion shaft. FIG. 11 is a schematic diagram showing a state in which a load is applied from a direction opposite to the extrusion direction. For example, when the extrusion process is performed using a die 24 having an inlet having a cross-sectional area of 19.6 cm 2 and an outlet having a cross-sectional area of 4 cm 2 , as shown by an arrow 31, 0.3 (mm) under a temperature condition of 450 ° C. / Min), a load of 4.9 kN / cm 2 may be applied to the material 20 from the opposite direction to the extrusion direction as indicated by an arrow 32.

このような荷重を印加することにより、ホットプレス処理と同様に、結晶の配向を維持しながら組織をより一層緻密なものにすることができる。   By applying such a load, the structure can be further densified while maintaining the crystal orientation, similarly to the hot press treatment.

次に、本発明の第3の実施例として、第1の実施例に係る熱電材料を製造する方法について説明する。   Next, as a third embodiment of the present invention, a method of manufacturing the thermoelectric material according to the first embodiment will be described.

第3の実施例では、(Bi,Sb)(Te,Se)組成のインゴットを粉砕して上記組成の粉末を得、水素還元及び焼結する。その後、第2の実施例と同様に、加圧軸と押出軸とが一軸上にないダイスを使用してせん断加工する押出処理を1回又は複数回行う。その後、熱処理することにより熱電材料を得る。 In the third embodiment, an ingot having a composition of (Bi, Sb) 2 (Te, Se) 3 is pulverized to obtain a powder having the above composition, and is subjected to hydrogen reduction and sintering. Thereafter, similarly to the second embodiment, the extrusion process of performing the shearing process using a die in which the pressure axis and the extrusion axis are not on one axis is performed once or a plurality of times. Thereafter, a heat treatment is performed to obtain a thermoelectric material.

このように、第3の実施例は、押出処理される対象がインゴット又はその粉砕粉である点で、押出処理される対象が液体急冷により得られた一方向凝固材である第2の実施例と相違するが、他の工程は第2の実施例と同様である。従って、第2の実施例と同様に、高いゼーベック係数αが得られると共に、(001)面の配向が揃って電気抵抗が低い高性能の熱電材料を得ることができる。また、第2の実施例と比較すると、非押出処理材の均質性が若干劣るものの、液体急冷を行う必要がないため、大幅に工程数が低減する。   Thus, the third embodiment is such that the object to be extruded is an ingot or a crushed powder thereof, and the object to be extruded is a unidirectional solidified material obtained by liquid quenching. However, the other steps are the same as in the second embodiment. Therefore, similarly to the second embodiment, a high Seebeck coefficient α can be obtained, and a high-performance thermoelectric material having a uniform (001) plane orientation and low electric resistance can be obtained. Further, as compared with the second embodiment, although the homogeneity of the non-extruded material is slightly inferior, it is not necessary to perform liquid quenching, so that the number of steps is greatly reduced.

なお、第3の実施例においてインゴットの粉砕粉を使用する場合には、例えば加圧軸と押出軸とが90゜の傾角をなす金型(ダイス)に粉砕粉を充填した後、温度が450℃のAr雰囲気中で加圧軸速度を0.03mm/分としてせん断変形させながら押出処理すればよい。   In the case of using the ingot pulverized powder in the third embodiment, for example, after filling the pulverized powder into a mold (die) having a pressing axis and an extruding axis inclined at 90 °, the temperature is increased to 450 ° C. Extrusion may be performed in a Ar atmosphere at a temperature of 0.03 mm / min with shearing deformation at a pressing shaft speed of 0.03 mm / min.

また、粉砕粉を使用する場合には、押出処理前に、例えば400℃のH雰囲気中で還元処理を行うことが好ましい。これは、インゴットと比較すると、粉砕粉の比表面積が大きいため、より酸化が生じやすいからである。このように酸化が生じると電気抵抗が増加するが、還元処理を行うことにより、そのような電気抵抗の増加を防止することができる。 When a pulverized powder is used, it is preferable to perform a reduction treatment in an H 2 atmosphere at 400 ° C., for example, before the extrusion treatment. This is because, compared to ingots, since the specific surface area of the pulverized powder is large, oxidation is more likely to occur. Such oxidation causes an increase in the electric resistance. By performing the reduction treatment, such an increase in the electric resistance can be prevented.

更に、第2の実施例と同様に、還元の有無、押出処理時の反対方向からの荷重印加等、種々の条件の変更及び調整が可能である。   Further, similarly to the second embodiment, it is possible to change and adjust various conditions such as the presence or absence of reduction and the application of a load from the opposite direction during the extrusion process.

次に、上述の実施例により製造された熱電材料からペルチェモジュールを製造する方法について説明する。図12は平面型ペルチェモジュールを示す斜視図である。図13は平面型ペルチェモジュールの製造方法を示すフローチャート図である。平面型ペルチェモジュール120は、例えば図12に示すように、絶縁基板123の上下にCu電極122、122を有する熱電素子121が挟まれて構成される。   Next, a method of manufacturing a Peltier module from the thermoelectric material manufactured according to the above-described embodiment will be described. FIG. 12 is a perspective view showing a planar Peltier module. FIG. 13 is a flowchart illustrating a method for manufacturing a planar Peltier module. As shown in FIG. 12, for example, the planar Peltier module 120 is configured by sandwiching thermoelectric elements 121 having Cu electrodes 122 and 122 above and below an insulating substrate 123.

このような平面型ペルチェモジュール120を製造する方法は、図13に示すように、熱電素子121を製造する材料加工工程と絶縁基板123を製造する基板工程とに分けられる。   As shown in FIG. 13, a method of manufacturing such a planar Peltier module 120 is divided into a material processing step of manufacturing the thermoelectric element 121 and a substrate step of manufacturing the insulating substrate 123.

材料加工工程では、先ず、例えば第2の実施例により熱電材料1を製造する。次に、熱電材料1をその平面が押出軸に垂直な円板状に切断して、無電解Ni(+Au)メッキを施す。更に、これらを四角柱状に切断することにより熱電素子121を製造する。   In the material processing step, first, for example, the thermoelectric material 1 is manufactured according to the second embodiment. Next, the thermoelectric material 1 is cut into a disk shape whose plane is perpendicular to the extrusion axis, and electroless Ni (+ Au) plating is performed. Furthermore, the thermoelectric element 121 is manufactured by cutting these into a quadrangular prism shape.

基板工程では、絶縁基板123としてアルミナ基板を用いる。先ず、アルミナ基板をメタライズし、メタライズ部に無電解Niメッキを施す。次いで、Cu電極122をアルミナ基板にハンダ付する。これにより、絶縁基板123が製造される。   In the substrate process, an alumina substrate is used as the insulating substrate 123. First, the alumina substrate is metallized, and electroless Ni plating is applied to the metallized portion. Next, the Cu electrode 122 is soldered to the alumina substrate. Thus, the insulating substrate 123 is manufactured.

そして、上述の材料加工工程により製造された熱電素子121と絶縁基板123とを組立てた後に、熱電素子121とCu電極122とをハンダ付する。更に、両端に配置された熱電素子121にリードを接続することにより、平面型ペルチェモジュール120が完成する。   Then, after assembling the thermoelectric element 121 manufactured by the above-described material processing step and the insulating substrate 123, the thermoelectric element 121 and the Cu electrode 122 are soldered. Further, by connecting the leads to the thermoelectric elements 121 arranged at both ends, the planar Peltier module 120 is completed.

このような方法により製造されたペルチェモジュールは、図14に示すように、従来の熱電素子から製造したものと比較して、消費電力を約20%も低減することができる。   As shown in FIG. 14, a Peltier module manufactured by such a method can reduce power consumption by about 20% as compared with a module manufactured from a conventional thermoelectric element.

以下、本発明の熱電材料を実際に製造し、その効果について説明する。作製したn型熱電材料の製造方法の一例を以下に説明する。   Hereinafter, the thermoelectric material of the present invention is actually manufactured, and its effect will be described. An example of a method for producing the produced n-type thermoelectric material will be described below.

Bi、Sb、Te及びSeを元素比にて、Bi1.9Sb0.1Te2.6Se0.4となるように秤量し、混合した。得られた混合粉末を、石英ガラス管にて真空雰囲気において秤量し、680℃の温度で1時間溶解・混合し、凝固させた。この合金を単ロール型液体急冷装置を使用して、800℃から急冷凝固し、試料薄片を作製した。次に、この試料薄片を石英ガラス管にH雰囲気にて封入し、脱酸素処理をした。そして、得られた脱酸素薄片を積層後、9.8kN/cmにて冷間圧延し、押出処理用ペレットを作製した。 Bi, Sb, Te and Se were weighed and mixed so that the element ratio became Bi 1.9 Sb 0.1 Te 2.6 Se 0.4 . The obtained mixed powder was weighed in a vacuum atmosphere in a quartz glass tube, melted and mixed at a temperature of 680 ° C. for 1 hour, and solidified. This alloy was rapidly solidified from 800 ° C. using a single-roll type liquid quenching apparatus to produce a sample slice. Next, the sample flake was sealed in a quartz glass tube in an H 2 atmosphere and subjected to a deoxygenation treatment. Then, after laminating the obtained deoxidized flakes, they were cold-rolled at 9.8 kN / cm 2 to produce pellets for extrusion treatment.

その後、押出処理用ペレットを加工温度を450℃、押出速度が0.1mm/分、Ar雰囲気にてダイス押出比4.5、ダイス角90゜にて押出処理を行った(試料No.2)。   Thereafter, the pellets for extrusion treatment were extruded at a processing temperature of 450 ° C., an extrusion speed of 0.1 mm / min, an Ar atmosphere, a die extrusion ratio of 4.5, and a die angle of 90 ° (sample No. 2). .

また、試料No.2と同様に形成した押出処理用ペレットを加工温度を450℃、押出速度が0.1mm/分、Ar雰囲気にてダイス押出比4.5、ダイス角90゜にて押出処理を行った。その後、この押出処理後の試料を押出軸と加圧軸とからなる面内で押出軸に対して直交する方向に9.8kN/cm、450゜、90分のホットプレス処理を行った(試料No.7)。 Further, the sample No. Extrusion pellets formed in the same manner as in Example 2 were extruded at a processing temperature of 450 ° C., an extrusion speed of 0.1 mm / min, an Ar atmosphere, a die extrusion ratio of 4.5, and a die angle of 90 °. Thereafter, the sample after the extrusion treatment was subjected to a hot press treatment at 9.8 kN / cm 2 , 450 ° for 90 minutes in a direction perpendicular to the extrusion shaft in a plane formed by the extrusion shaft and the pressure shaft ( Sample No. 7).

また、試料No.2と同様に形成した押出処理用ペレットを温度を450℃、押出速度が0.1mm/分、Ar雰囲気にてダイス押出比1、ダイス角120゜にて押出処理を4回行った。次いで、加工温度を380℃、押出速度が0.1mm/分、Ar雰囲気にてダイス押出比4.5、ダイス角90゜にて剪断加工付与押出をした(試料No.8)。   Further, the sample No. The pellets for extrusion treatment formed in the same manner as in Example 2 were subjected to four extrusion treatments at a temperature of 450 ° C., an extrusion speed of 0.1 mm / min, an Ar atmosphere, a die extrusion ratio of 1, and a die angle of 120 °. Next, the sample was subjected to shearing treatment extrusion at a processing temperature of 380 ° C., an extrusion speed of 0.1 mm / min, an Ar atmosphere, a die extrusion ratio of 4.5, and a die angle of 90 ° (sample No. 8).

これらの試料と同様にして、組成及び押出処理条件を種々変更した熱電材料を作製した。また、比較例として、押出用ペレットに剪断付与押出処理ではなく、ホットプレス処理を施したものを作製した(試料No.11、12)。得られた熱電材料の組成及び製造条件を下記表5に示す。なお、押出処理を複数回行ったものについては、押出比は、最終押出工程における押出比を示す。その後、得られた各熱電材料のゼーベック係数α、比抵抗ρ及び熱電係数κを測定し、出力因子及び性能指数Zを算出した。また、EBSPにより、押出軸に垂直な断面における結晶粒のうち、c軸の傾角が45゜以下の結晶粒の面積占有率を測定した。また、X線回折法によって押出方向に垂直な面の回折線プロファイルにおける(015)面の回折強度に対する(110)面の回折強度の比(以下、I(100)/I(015))を求めた。これらの結果を下記表6に示す。   In the same manner as these samples, thermoelectric materials having various compositions and extrusion treatment conditions were prepared. In addition, as a comparative example, pellets for extrusion were subjected to hot press processing instead of shearing extrusion processing (Sample Nos. 11 and 12). The composition and manufacturing conditions of the obtained thermoelectric material are shown in Table 5 below. In addition, about what performed the extrusion process several times, the extrusion ratio shows the extrusion ratio in the last extrusion process. Thereafter, the Seebeck coefficient α, the specific resistance ρ, and the thermoelectric coefficient κ of each obtained thermoelectric material were measured, and the output factor and the performance index Z were calculated. The area occupancy of crystal grains having a c-axis tilt angle of 45 ° or less among the crystal grains in a cross section perpendicular to the extrusion axis was measured by EBSP. Further, the ratio of the diffraction intensity of the (110) plane to the diffraction intensity of the (015) plane in the diffraction line profile of the plane perpendicular to the extrusion direction (hereinafter, I (100) / I (015)) was determined by the X-ray diffraction method. Was. The results are shown in Table 6 below.

Figure 2004363620
Figure 2004363620

Figure 2004363620
Figure 2004363620

表6に示すように、本実施例方法により製造した試料No.1乃至10は、良好な熱電物性を示す。特に、ダイス傾角90及び120゜の試料No.1乃至5は、極めて良好な熱電物性を示す。また、試料No.2乃至8、10に示すように、材料の組成がTe/Seが2.6/0.4乃至3.0/0のものについては、いずれも比抵抗が1.2×10-5Ωm以下の低い値を示した。また、押出処理後にホットプレスした試料No.7は、押出処理のみの試料No.2に比して、性能指数が更に高くなった。更に、押出処理を5回繰り返した試料No.8は、押出処理1回の試料No.5に比して、性能指数が更に高くなった。また、試料No.6はダイス傾角が大きかったため、十分な配向が得られず、c軸の傾角が45゜以下の結晶粒の面積占有率が10%を超え、性能指数がやや低下した。また、試料No.9は、押出比が1.96と小さかったため性能指数がやや低下した。 As shown in Table 6, the sample No. manufactured by the method of the present example was used. 1 to 10 show good thermoelectric properties. In particular, for sample Nos. With dice inclination angles of 90 and 120 °. 1 to 5 show extremely good thermoelectric properties. Further, the sample No. As shown in 2 to 8 and 10, when the composition of the material is Te / Se of 2.6 / 0.4 to 3.0 / 0, the specific resistance is 1.2 × 10 −5 Ωm or less. Showed low values. In addition, for sample No. Sample No. 7 shows only the extrusion process. The figure of merit was higher than that of No. 2. Furthermore, the sample No. Sample No. 8 is a sample of one extrusion process. The figure of merit was higher than that of No. 5. Further, the sample No. In No. 6, since the dice inclination was large, sufficient orientation was not obtained, and the area occupancy of crystal grains having a c-axis inclination of 45 ° or less exceeded 10%, and the figure of merit was slightly lowered. Further, the sample No. In No. 9, since the extrusion ratio was as small as 1.96, the figure of merit slightly decreased.

図15は、縦軸に面積分布率をとって、横軸に熱電材料の押出軸に直交する断面における001軸の傾角をとって、実施例の試料No.2のc軸の傾角の分布を示すグラフ図である。図15においては、試料No.2の測定結果を●、試料No.2の製造条件のうち、加工温度のみ380℃と変更したものの測定結果を○で示す。図15に示すように、本発明方法によって製造された熱電材料は、c軸の傾角が45゜以下の分布が極めて少ない。   In FIG. 15, the vertical axis indicates the area distribution ratio, and the horizontal axis indicates the inclination angle of the 001 axis in a cross section orthogonal to the extrusion axis of the thermoelectric material. FIG. 2 is a graph showing the distribution of the inclination angle of the c-axis in FIG. In FIG. The measurement result of sample No. 2 is indicated by ●. Among the production conditions of 2, the measurement results of those obtained by changing only the processing temperature to 380 ° C. are indicated by ○. As shown in FIG. 15, the distribution of the thermoelectric material manufactured by the method of the present invention in which the c-axis tilt angle is 45 ° or less is extremely small.

これに対して、剪断付与押出処理せずに、従来のホットプレス処理した試料No.11、12は性能指数が低い。試料No.11は比抵抗が1.2×10−5Ωmを超えて高くなり、試料No.12は、比抵抗は低いものの、性能指数が低くなった。これらの試料は、001軸の傾角が45゜を超える結晶粒の占有面積が高くなっている。 On the other hand, the sample No. 11 and 12 have low figures of merit. Sample No. Sample No. 11 had a specific resistance higher than 1.2 × 10 −5 Ωm, and the sample no. In No. 12, although the specific resistance was low, the figure of merit was low. In these samples, the area occupied by crystal grains having a tilt angle of the 001 axis exceeding 45 ° is high.

(a)及び(b)は本発明の実施例に係る熱電材料を模式的に示す夫々斜視図及び上面図である。(A) and (b) are the perspective view and the top view which show typically the thermoelectric material concerning the Example of this invention, respectively. 加圧軸と押出軸とがなす角(ダイス傾角)が90゜のダイスを示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the dice in which the angle (die inclination angle) which a press axis | shaft and an extrusion axis make is 90 degrees. (a)は本発明の実施例の押出法を示す模式図、(b)は従来の押出法を示す模式図である。(A) is a schematic diagram showing an extrusion method of an example of the present invention, and (b) is a schematic diagram showing a conventional extrusion method. 横軸に温度をとって、縦軸に出力因子の変化率をとって、(Bi,Sb)(Te,Se)組成の温度特性を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing temperature characteristics of a (Bi, Sb) 2 (Te, Se) 3 composition, with the horizontal axis representing temperature and the vertical axis representing the rate of change in output factor. (a)及び(b)はダイス傾角135゜を有する夫々押出比1及び押出比4のダイスを示す模式図である。(A) And (b) is a schematic diagram which shows the dice | dies of the extrusion ratio 1 and the extrusion ratio 4, respectively, which have a dice | tilt angle of 135 degrees. 横軸に押出比((ダイス入口の断面積)/(ダイス出口の断面積))をとって、縦軸に相対密度をとって、押出比と相対密度との関係を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the extrusion ratio and the relative density, with the horizontal axis representing the extrusion ratio ((cross-sectional area at the die entrance) / (cross-sectional area at the die exit)) and the vertical axis representing the relative density. (a)及び(b)は本発明の実施例のダイスに挿入する熱電材料を示す模式図である。(A) And (b) is a schematic diagram which shows the thermoelectric material inserted in the dice | dies of the Example of this invention. 横軸に押出処理の回数をとり、縦軸に平均結晶粒径及び最大せん断応力をとって両者の関係を示すグラフ図である。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the number of extrusion processes on the horizontal axis and the average crystal grain size and the maximum shear stress on the vertical axis. 横軸にゼーベック係数αをとり、縦軸に比抵抗(電気抵抗率)ρをとって、本発明方法により製造されたn型熱電材料の電気物性を示すグラフ図である。FIG. 4 is a graph showing the electrical properties of an n-type thermoelectric material manufactured by the method of the present invention, with the horizontal axis representing the Seebeck coefficient α and the vertical axis representing the specific resistance (electrical resistivity) ρ. 積層の有無と押出荷重との関係を棒グラフにより示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the presence or absence of lamination and an extrusion load with a bar graph. 押出方向に対して反対方向から荷重を印加する様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows a mode that a load is applied from a direction opposite to the extrusion direction. 平面型ペルチェモジュールを示す斜視図である。It is a perspective view showing a plane type Peltier module. 平面型ペルチェモジュールの製造方法を示すフローチャート図である。It is a flowchart figure which shows the manufacturing method of a planar Peltier module. ペルチェモジュールの種類と消費電力との関係を棒グラフにより示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the kind of Peltier module and power consumption with a bar graph. 縦軸に面積分布率をとって、横軸に熱電材料の押出軸に直交する断面における001軸の傾角をとって、本発明方法により製造された熱電材料の001軸傾角分布を示すグラフ図である。FIG. 9 is a graph showing the 001-axis tilt distribution of a thermoelectric material produced by the method of the present invention, with the vertical axis representing the area distribution ratio, and the horizontal axis representing the 001-axis tilt angle in a cross section orthogonal to the extrusion axis of the thermoelectric material. is there. 特許文献1に記載の熱電材料の製造方法を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view illustrating a method for manufacturing a thermoelectric material described in Patent Document 1. 非特許文献1に記載の剪断付加押出法を示す模式的断面図である。It is a typical sectional view showing the shear addition extrusion method of nonpatent literature 1. 特許文献2に記載の熱電材料の製造方法における熱間すえこみ鍛造を示す図であって、(a)はすえこみ鍛造前、(b)はすえこみ鍛造後を示す模式的断面図である。It is a figure which shows the hot upsetting forging in the manufacturing method of the thermoelectric material of patent document 2, (a) is a typical cross section before upsetting forging, (b) is after upsetting forging. (a)乃至(b)は、特許文献1に記載の技術の問題点を示す図であって、(a)はダイス内の素材を示す模式図、(b)及び(c)は(a)に示す押出部を示す夫々断面図及び模式図である。(A) and (b) are diagrams showing problems of the technology described in Patent Document 1, (a) is a schematic diagram showing a material in a die, and (b) and (c) are (a) 3A and 3B are a cross-sectional view and a schematic view, respectively, showing an extruded portion shown in FIG.

符号の説明Explanation of reference numerals

101;素材101
102;ダイス
103;材料
104;ヒータ
110;押出ダイス
110a;円柱部
110b;水平部
111;上パンチ
121;ベース
122;スリーブ
123;パンチ
124;粉末焼結体
125;熱電半導体材料
101; material 101
102; die 103; material 104; heater 110; extrusion die 110a; cylindrical portion 110b; horizontal portion 111; upper punch 121; base 122; sleeve 123; punch 124; powder sintered body 125;

Claims (15)

Bi及びSbからなる群から選択された少なくとも1種の元素と、Te及びSeからなる群から選択された少なくとも1種の元素とからなる組成のインゴット又はその粉砕粉に対し、加圧軸と押出軸とが一軸上にないダイスを使用してせん断加工する押出処理を、押出速度を0.001乃至0.03mm/分にして少なくとも1回行うことにより得られたものであることを特徴とする熱電材料。 A pressing shaft and an extruder are used for an ingot having a composition comprising at least one element selected from the group consisting of Bi and Sb and at least one element selected from the group consisting of Te and Se, or a pulverized powder thereof. It is characterized in that it is obtained by performing at least one extrusion process in which an extrusion speed of 0.001 to 0.03 mm / min is performed by performing an extrusion process in which a shearing process is performed using a die whose axis is not coaxial. Thermoelectric material. 前記押出処理において押出方向に対して反対の方向から加圧荷重よりも小さい荷重が被押出材に印加されていることを特徴とする請求項1に記載の熱電材料。 The thermoelectric material according to claim 1, wherein a load smaller than a pressing load is applied to the material to be extruded from a direction opposite to the extrusion direction in the extrusion process. 前記押出処理後に加圧軸及び押出軸を有する平面上で前記押出軸に直交する方向にホットプレス処理することにより得られたものであることを特徴とすることを請求項1又は2に記載の熱電材料。 3. The method according to claim 1, wherein the extrusion processing is performed by hot pressing in a direction orthogonal to the extrusion axis on a plane having a pressure axis and an extrusion axis after the extrusion processing. Thermoelectric material. 前記押出処理を2回以上行い、最終押出工程におけるダイス出口の断面積をダイス入口の断面積よりも小さくすることにより得られたものであることを特徴とする1又は2に記載の熱電材料。 3. The thermoelectric material according to 1 or 2, wherein the thermoelectric material is obtained by performing the extrusion process twice or more and making a cross-sectional area of a die outlet smaller than a cross-sectional area of a die inlet in a final extrusion step. I、Cl、Hg、Br、Ag及びCuからなる群から選択された1種又は2種以上の元素が添加されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の熱電材料。 5. The thermoelectric device according to claim 1, wherein one or more elements selected from the group consisting of I, Cl, Hg, Br, Ag, and Cu are added. 6. material. 平均粒径が30μm以下であり、且つ押出方向に直交する面における全結晶粒のうち、前記押出軸と[001]軸とのなす角が45゜以下である結晶粒が占める面積の割合が全結晶粒面積の10%以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の熱電材料。 Of the total crystal grains in a plane having an average particle diameter of 30 μm or less and orthogonal to the extrusion direction, the ratio of the area occupied by the crystal grains having an angle of 45 ° or less between the extrusion axis and the [001] axis is all The thermoelectric material according to any one of claims 1 to 5, wherein the thermoelectric material has a crystal grain area of 10% or less. Bi及びSbからなる群から選択された少なくとも1種の元素と、Te及びSeからなる群から選択された少なくとも1種の元素とからなる組成を有する熱電材料の製造方法において、前記組成のインゴット又はその粉砕粉に対し、加圧軸と押出軸とが一軸上にないダイスを使用してせん断加工する押出処理を少なくとも1回行う工程と、を有することを特徴とする熱電材料の製造方法。 In the method for producing a thermoelectric material having a composition comprising at least one element selected from the group consisting of Bi and Sb and at least one element selected from the group consisting of Te and Se, an ingot having the composition A step of subjecting the pulverized powder to at least one extrusion treatment in which a shearing process is performed using a die in which the pressure axis and the extrusion axis are not on one axis. 前記押出処理において押出方向に対して反対の方向から加圧荷重よりも小さい荷重を被押出材に印加することを特徴とする請求項7に記載の熱電材料の製造方法。 The method for manufacturing a thermoelectric material according to claim 7, wherein a load smaller than a pressing load is applied to the material to be extruded from a direction opposite to an extrusion direction in the extrusion process. 前記押出処理を少なくとも1回行う工程は、前記押出処理後に、加圧軸及び押出軸を有する平面上で前記押出軸に直交する方向にホットプレス処理する工程を有することを特徴とすることを請求項7又は8に記載の熱電材料の製造方法。 The step of performing the extrusion process at least once includes, after the extrusion process, a step of performing a hot press process in a direction orthogonal to the extrusion axis on a plane having a pressure axis and an extrusion axis. Item 9. The method for producing a thermoelectric material according to Item 7 or 8. 前記押出処理を少なくとも1回行う工程は、前記押出処理を2回以上行い、最終押出工程におけるダイス出口の断面積がダイス入口の断面積よりも小さいことを特徴とする請求項7乃至9のいずれか1項に記載の熱電材料の製造方法。 10. The step of performing the extrusion process at least once, wherein the extrusion process is performed twice or more, and a cross-sectional area of a die outlet in the final extrusion step is smaller than a cross-sectional area of a die inlet. The method for producing a thermoelectric material according to claim 1. 前記押出処理は、前記加圧軸と押出軸とがなす角度は60乃至150゜であることを特徴とする請求項7乃至10のいずれか1項に記載の熱電材料の製造方法。 The method for manufacturing a thermoelectric material according to any one of claims 7 to 10, wherein in the extrusion process, an angle formed by the pressing shaft and the extrusion shaft is 60 to 150 °. 前記押出処理は、前記ダイスの出口の断面積に対する前記ダイスの入口の断面積の比である押出比((ダイス入口の断面積)/(ダイス出口の断面積))が4.5以上であることを特徴とする請求項7乃至11のいずれか1項に記載の熱電材料の製造方法。 In the extrusion treatment, an extrusion ratio ((cross-sectional area of die entrance) / (cross-sectional area of die exit)), which is a ratio of a cross-sectional area of an entrance of the die to a cross-sectional area of an exit of the die, is 4.5 or more. The method for producing a thermoelectric material according to any one of claims 7 to 11, wherein: 前記押出処理は、加工温度が300乃至600℃であることを特徴とする請求項7乃至12のいずれか1項に記載の熱電材料の製造方法。 The method for producing a thermoelectric material according to any one of claims 7 to 12, wherein the extrusion process has a processing temperature of 300 to 600 ° C. 前記押出処理は、押出速度が0.01乃至1mm/分であることを特徴とする請求項7乃至13のいずれか1項に記載の熱電材料の製造方法。 The method for producing a thermoelectric material according to any one of claims 7 to 13, wherein the extrusion process has an extrusion speed of 0.01 to 1 mm / min. 請求項1乃至6のいずれか1項に記載の熱電材料から切り出されその最も電気抵抗が低い方位に通電される熱電素子を有することを特徴とするペルチェモジュール。 A Peltier module comprising a thermoelectric element cut from the thermoelectric material according to any one of claims 1 to 6, and energized in a direction having the lowest electric resistance.
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