JP2005019713A - M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料及び製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は、一般的な用途に適した性能を備えたM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料及び製造方法に関する。
【解決手段】本発明のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料は、熱電材料の電気的な特性を向上させる目的で、M1−xサイト及びNi1−yの一部を原子量の差の大きいAx及びBy元素で置換し、Snz−1サイトの1部を他の元素Czで同様に置換し、且つこれらの元素の成分比率を最適化した熱電材料である。上記熱電材料の製造方法においては、所定の組成比率の原料を、例えばアーク溶解することにより固溶合金化した後、得られた鋳塊を粉砕微細化する。その後粉砕微細化した合金粉末は、例えばホットプレス法により所望の直径の熱電材料に焼結し、且つ含有する成分が均一に分布させるために熱処理を施す。
【選択図】 図2
【解決手段】本発明のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料は、熱電材料の電気的な特性を向上させる目的で、M1−xサイト及びNi1−yの一部を原子量の差の大きいAx及びBy元素で置換し、Snz−1サイトの1部を他の元素Czで同様に置換し、且つこれらの元素の成分比率を最適化した熱電材料である。上記熱電材料の製造方法においては、所定の組成比率の原料を、例えばアーク溶解することにより固溶合金化した後、得られた鋳塊を粉砕微細化する。その後粉砕微細化した合金粉末は、例えばホットプレス法により所望の直径の熱電材料に焼結し、且つ含有する成分が均一に分布させるために熱処理を施す。
【選択図】 図2
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広く一般的な用途に適した性能を備えたM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Cz(MまたはAが、Ti、Zr、Hfの少なくとも1種)ハーフホイスラー型の高温用熱電材料及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
MNiSn(M=Ti、Zr、Hf)ハーフホイスラー型の高温用熱電材料は、従来は種々の溶解等を用いて溶解した鋳塊をさらに高温熱処理を施すことによって製作されてきた。ハーフホイスラー型の高温用熱電材料は、熱電材料の化学組成が半導体的性質を示すM:Ni:Sn=1:1:1の化学量論的組成比を有するハーフホイスラー相を備えることが最も重要である。しかしながら、種々の溶解炉等を用いた従来の上記作成方法では、充分に満足する性能を備えたM:Ni:Sn=1:1:1の化学量論的組成比を有し且つMNiSnハーフホイスラー単相、例えば、TiNiSn相が均一に分布した熱電材料作成することは困難であった。したがって、従来の溶解炉等を用いた作成方法は、熱電材料の性能として重要である特に低い熱伝導度を備えるハーフホイスラー型の高温用熱電材料の作成方法としては適切でない。
【0003】
また、ハーフホイスラー型の高温用熱電材料の原料粉末を溶融して組成成分が固溶した合金鋳塊(鋳塊)を作成して、その後この合金鋳塊を粉砕且つ微細化して、さらにこれらの鋳塊微細化粉末を焼結する作成方法が用いられてきた。しかし、従来の組成を有するハーフホイスラー型の高温用熱電材料では、この材料自体が有するの脆さを改善することができず、実際に用途に適用するためには加工性の高い熱電材料の提供が望まれている。
【0004】
一般的に熱電材料の熱伝導度を低減するには、組成成分が均一に混合された固溶体を形成することにより、格子熱伝導度の寄与分を低減する方法が用いられている。均一固溶体の形成による格子熱伝導度の低減は、固溶する互いの元素の原子量差が大きいほどより低い格子熱伝導度を示すと考えられている。したがって、Mに周期律表の同属元素のTi、Zr及びHfの2種を添加することにより格子熱伝導率を低減してきた。しかしながら、ハーフホイスラー型の格子熱伝導率は、現在実用化されている異種の構造式を有するBi−Te型の熱電材料に比較してまだかなり低減することが望まれる。
【0005】
【非特許文献1】
Effect of partial substitution of Ni by Pd on the thermoelectric properties of ZrNiSn−based half−Heusler compounds: Q. Shen and et al; Applied Physics letters, Vol. 79, No. 25, P4165−4167 (December 17, 2001)
【非特許文献2】
Effect of Sb doping on the thermoelectric properties of Ti−based half−Heusler compounds, TiNiSn1−xSbx: S. Bhattacharya and et al; Applied Physics letters, Vol. 77, No. 16, P2476−2478 (October 16, 2000)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ハーフホイスラー型の結晶構造を有するM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Cz型化合物をベースとする高温用熱電材料を実用化するために熱電性能指数(ゼーベック係数α、電気抵抗ρ、熱伝導度κ)を向上させる必要がある。そこで本発明においては熱電性能指数を向上させた合金成分比を有するハーフホイスラー型の熱電材料、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
本発明の熱電材料の製造方法においては、M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Cz(MまたはAが、Ti、Zr、Hfの少なくとも1種)型化合物の原材料を例えばアーク溶解して各成分が固溶した合金を製造し、得られた鋳塊を粉砕微細化して、この粉砕微細化した粉末を任意の形状にホットプレスらで加圧焼結する。さらに得られた焼結材料は、必要に応じて所定の温度で熱処理が施される。
【0008】
したがって、本発明は、広範囲の実用用途に適した性能を備えるM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料及びその製造方法を提供する。さらに具体的には、本発明は、必要な性能を備えるために成分が適正な範囲に調整され且つ均一分布したM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料及びその製造方法を提供する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料においては、1)格子熱伝導率を低減するために、M1−xAxサイトが母元素Mのみで構成するのでなく母元素Mの一部元素を原子量の差の大きい同属元素Aで置換し、且つ2)電気的な特性(ゼーベク係数、電気抵抗及び出力因子)を向上させるために、Snz−1Czサイトが母元素Snのみで構成されるのでなく、母元素Snの一部分を他の元素C(例えば、In、Sb及びTe)で置換し、さらに1)と2)置換されるそれぞれの元素の最適成分範囲を決定する。また、本発明のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の製造方法においては、原材料を溶解して各元素が固溶した合金鋳塊を形成して、得られた鋳塊を粉砕微細化してその後加圧焼結して、必要に応じて、さらに均一な合金を得るために熱処理を施す。
【0010】
すなわち、本発明のハーフホイスラー型の高温用熱電材料は、M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czの構造式を有するハーフホイスラー型の高温用熱電材料であって、
前記構造式においてMがTi、Zr及びHfの群から選択された1種の元素であり、且つAがMに選択されなかったTi、Zr及びHfの群の残部から選択された1種の元素であり、
BがPdまたはPtの元素であり、且つ
CがIn、Sb及びTeの群から選択された1種の元素であり、
x及びyが0.05〜0.5の範囲であり、且つZが0.001〜0.05の範囲にあり、
前記組成を有する固溶体の鋳塊粉末を焼結した半導体相であることを特徴とする。
【0011】
さらに、本発明の高温用熱電材料は、Ni1−yByの部分がNiのみから成ること、またはSnz−1Czの部分がSnのみからなることのいずれか一方であることを特徴とする。本発明の熱電材料は、前記MがTiであって、且つ前記AがHfである。さらに、本発明の熱電材料は、M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の全体積中に、前記半導体相が、99〜90%の体積率で存在する。さらに、本発明の熱電材料は、500〜800Kで2.5〜3W/mK、好ましくは570Kで3.1W/mK以下の熱伝導度を有する。さらに、本発明の熱電材料は、前記構造式において、MとAとの原子量の差、及びNIとBの原子量の差が最も大きいことを特徴とする。
【0012】
また、本発明は、上記のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の製造方法であって、
M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czの構造式の組成を構成するM、A、Ni、B、Sn及びCの各原材料を用意する工程、
前記各原材料を溶融し固溶体の鋳塊を形成する工程、
前記鋳塊を粉砕微細化して粉末を形成する工程、及び
前記粉末を加圧焼結する工程、
を含むことを特徴とする。
【0013】
さらに、本発明の製造方法においては、前記粉末を形成する工程が、前記粉末の平均粒径を45μm未満にする。また、本発明の製造方法においては、前記粉末を加圧焼結する工程が、1.33×10−2Pa以下の真空度と35MPa以上の焼結圧力でもって、700〜900℃の温度範囲で3〜10時間行われる。さらに、本発明の製造方法においては、前記固溶体の鋳塊、または前記粉末を加圧焼結した焼結体を、前記半導体相をさらに形成するために、700〜1000℃の温度範囲で24時間〜1ヶ月の期間熱処理を施す。
【0014】
本発明においては、原材料を溶融して固溶体の鋳塊を形成する工程には、アーク溶解法等(溶融材料を攪拌することができる低周波溶解法等)を用いるのが好ましいが、従来の真空または不活性雰囲気の溶解炉を使用することができる。また、固溶体の鋳塊の粉末を加圧焼結する工程には、ホットプレス法を用いるのが好ましいが、加圧成形工程及び焼結工程を別々に行う従来の方法を用いることもできる。
【0015】
【発明の実施の形態】
熱電材料は、小さなバンド(禁制帯)ギャップ(0.05〜0.5ev)を持つ半導体相の熱電材料が優れた熱電特性(大きなゼーベック係数α、小さな電気抵抗ρ及び低い熱伝導度κにより向上する)を示す。M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料は、この熱電材料を構成する相の種類(半導体相、金属相)の組成比(化学量論組成比の1:1:1からのずれ)によって、電気的及び熱的な熱電特性が著しく変化する。本発明は、この点に着目し、本発明のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czの構造式における組成が、1:1:1の科学量論組成比を持つ半導体相を可能な限り多く含むことすなわち金属相の影響を少なくすることによって、熱電材料の熱電特性を向上することができる。また、M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の熱伝導度は、M1−x母元素の原子量と固溶される元素Axの原子量との差を大きくすることによって熱伝導度は急激に低下させることができ、さらにM1−xAxサイトの各元素の均一な固溶体化をすることよって下げることができる。また、熱電材料の熱電特性の向上はキャリア濃度の最適化(M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czの構造式のA、B及びCの最適量の添加)によって達成される。したがって、本発明においては、さらにSnz−1Czサイトに最適範囲の母合金Sn以外の他の元素(In、Sb及びTe)を添加することによってさらに電気的な特性の向上を図る。
【0016】
【実施例】
本発明においては、実施例として直径が25mmの熱電材料を製作した。この熱電材料は、M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czが、1:1:1の化学量論組成比を持つ半導体相を可能な限り多く含むこと(金属相の存在を限りなく少なくする)によって熱電特性の向上が可能である。本発明では溶解によって固溶合金化された材料を破砕微細化し、もう一度加圧焼結させ、必要に応じてさらに熱処理をすることで、優れた熱電特性を示すM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czが1:1:1の化学量論組成比を有する半導体相(体積率99〜90%)とすることができた。
【0017】
上記M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型結晶構造を有する化合物は、MNiSn、M1−xAxNiSn、MNi1−yBySn、MNiSnz−1Cz、M1−xAxNi1−yBySn、M1−xAxNiSnz−1Cz、MNi1−yBySnz−1Cz、及びM1−xAxNi1−yBySnz−1Czの一般式で表わされる化合物である。元素MがTiの場合、周期律表の同族元素として添加する元素Aは元素MのTi以外のZrまたはHfいずれであっても良い。元素MがHfの場合も同様にTiまたはZrのいずれであっても良い。M1−xAxサイトの母合金Mを置換する元素Aのxの範囲は0.05〜0.5である。Ni1−yByサイトの母合金Niを置換する元素Bは周期律表の同族元素のPdまたはPtのいずれかであり、元素Bのyの範囲は0.05〜0.5である。Snz−1Czサイトの母合金Snと置換する元素CはIn、SbまたはTeのいずれかであり、元素Cのyの範囲は0.001〜0.05の小量を添加する。
【0018】
M1−xAxサイトのMとAと原子量の差を大きくすることによって熱伝導度の低減による熱電性能指数の向上のために、M1−xAxの母元素M1−xはTiとし、Tiの原子量と最も原子量の差が大きいHfをAx元素とした熱電材料の作製を行った。さらに、熱電特性に寄与するゼーベック係数を大きくし且つ電気抵抗を小さくして最適化するため、Snz−1CzサイトのC元素としてSb(z=0.001〜0.05)を適量添加して材料の作製を行った。
実施例1
本発明の体表的な実施態様である熱電材料の作製方法と得られた熱電材料の熱電特性を図面やグラフを使って具体的に説明する。
【0019】
本実施態様においては、先ずM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の体表的な化合物であるM・Ni・Snを主組成とする熱電材料を製造した。熱電材料の出発原料は、純度99.99%のTiチップ(小片)、純度99.99%のNi、及び純度99.999%の粒状Sbを使用した。本発明においては、溶解方法と材料調整は次のように行った。これらの出発原料は、M・Ni・Snの化学量論組成となるように所定量秤量し、アルゴン雰囲気中(1.33×10−1 〜 −2Pa)でアーク溶解することにより鋳塊を作製した。固溶合金化した鋳塊はアルミナ乳鉢で破砕し、ふるいで平均粒径45μmに揃えた。こうして得られた粉末を、ホットプレス焼結装置で、焼結材料を圧力35MPaで加圧成形し、温度800℃で5時間焼結(1.33×10−1 〜 −2Paのアルゴン雰囲気または低真空中)することにより、25mmの径をもつ円盤状の焼結体熱電材料を作製した。更に、得られた焼結体熱電材料を、石英中に1.33×10−2Pa(10−4Torr)またはそれ以下の圧力に真空封入し、カンタル炉内で700〜1000℃で24時間〜1ヶ月の熱処理条件で熱処理を行った。
【0020】
アーク溶解法後粉砕・加圧焼結しなかったM・Ni・Snの熱電材料の組織を図1に示す。図1に示すようにM・Ni・Snが1:1:1成分比をもつ半導体相の他に、電気及び熱的に金属的な特性を示すTi6Sn6の金属間化合物相、及び単独Sn相などが多く形成しているのが分かった。これらの金属相が多く含まれている場合、半導体M・Ni・Snの熱電特性に与える影響はふさわしくないと言える。また、このように溶解方法のみで作られた材料は溶解後、急冷されるために得られた鋳塊では大きいクラックが発生する問題がある。発生したクラックは材料の加工性を著しく悪くすると考えられる。
【0021】
しかしながら、本発明の溶解・粉砕及び加圧焼結方法で得られた熱処理後の焼結体熱電材料は、図1に比較して図2に示すようにM・Ni・Snが1:1:1の化学量論組成比をもつ半導体相が多く存在している。また、半導体相以外に単独Sn相などの体積率が大幅に低減していることが分かる。また、Ti6Sn5の金属間化合物相の体積率も溶解方法のみで作製した材料に比べ、非常に少ないことがわかる。
【0022】
一般に熱電材料の中にクラックが存在すると、熱電性能には悪い影響を及ぼし、熱電材料を熱電素子及び熱電モジュール等を製造する場合、脆くて加工性が悪くなり、生産性を引き下げる原因となる。そこで、本発明の特徴であるアーク溶解炉らにより溶解して得られた鋳塊を破砕微細化して、それらの粉末をホットププレス装置らで加圧焼結することで、クラック等がない均一に各成分が固溶した焼結体熱電材料が得られ、加工性の良い大きな寸法(25〜35φ×5〜10t)の熱電材料を作製することができた。
【0023】
熱電材料の性能は、ゼーベック係数α、電気抵抗ρ、熱伝導度κの3つのパラメーターによって、無次元性能指数ZT=α2T/ρκで示される。この無次元性能指数ZTは熱電変換効率を決める材料の重要なパラメーターである。α2/ρは出力因子と呼び、ゼーベック係数が大きく、電気抵抗が小さい材料が高い出力因子を示し、更に熱伝導度が低い材料が高い無次元性能指数ZTを示すことになる。高いZT値を示す熱電材料は熱電性能に優れることになる。
【0024】
図3〜5は、本発明の溶解方法とその後の焼結方法との二つの作製方法によって得られたMNiSn型のハーフホイスラー化合物の温度と出力因子との関係を示す。この電気的な特性を示す出力因子は、ゼーベック係数、電気抵抗から算出した出力因子であり熱的な特性を熱伝導度で示す。出力因子と熱伝導度から計算した無次元性能指数ZTの温度依存性を示す。二つの材料作製方法による電気的な特性、出力因子の値には大きな違いが見られないが熱伝導度の値では大きい差が見られる。焼結方法により製作された焼結体熱電材料は、溶解方法で作製された材料より熱の移動を散乱させる気孔や粒界が多く存在している。これらの散乱によって、TiNiSnハーフホイスラーの室温における熱伝導度は、7W/mKから3.8W/mKに下がった。そして、TiNiSnハーフホイスラーの熱伝導度の最小値は570Kで3.1W/mKを示した。本発明で最も重要な結果であるが、TiNiSnハーフホイスラー焼結体熱電材料を作製することは熱伝導度を低減に有効的であることが理解できる。
【0025】
このように、焼結体熱電材料を焼結方法により熱伝導度の低減と共に、さらに低い熱伝導度を得るため、本発明ではTiNiSnの熱伝導度の98%を占める格子熱伝導度を下げることを意図する。すなわち、本発明者等は様々な実験を行った結果、Ti及びNiの各サイトを周期律表の同族元素(TiサイトはZrとHf、NiサイトはPdとPt)で置換することで熱伝導度を低減できることを見いだした。この考察の中でも、母元素Tiを、Tiと同族元素の他の元素で一部置換することでもっと低い熱伝導度を得ることができた。
実施例2
したがって、本発明は、M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型熱電材料の熱伝導度を低減するため、Ti及びNiの一部を周期律表のそれらの同族元素を置換する。図6には基本熱電材料であるTiNiSnのTi及びNiの各サイトにそれぞれの同族元素で置換したTiNiSn基の熱電材料の熱伝導度を示す。本発明者はTiサイトの母元素TiをZrとHfで置換し、且つNiサイトの母元素Niの一部をPtをそれぞれ置換し、その熱伝導度を調べた。Tiサイトの母元素TiをZrやHf同族元素で置換することが熱伝導度の低減にはもっとも効果的であることが判明した。すなわち、Tiサイトの母元素Tiの一部を同族元素Zr、Hfで置換することにより、熱伝導度を低減することが本発明の特徴の1つであるとする。
【0026】
Tiサイトの母元素TiをZr及びHf同族元素での置換による熱伝導度の低減には図7に示すように格子熱伝導度の低減が重要な原因であることが判明した。図6においては、電子熱伝導度のレベルは、少し上がった傾向を示しているものの、図7に示すように、本発明の特徴である格子熱伝導度の低下には母元素の一部を同族元素で置換することが好ましいと言える。図8には溶解方法で母元素を同族元素で置換して作製した材料の無次元性能指数ZTを示す。図8に示すように、熱伝導度の低減の効果で無次元性能指数ZTは向上した。無次元性能指数ZTの温度依存性の変動は、温度域600Kから800Kまで高い値を示し、高温用熱電材料として好ましい傾向を示した。
【0027】
図7及び8からわかるように、TiサイトのTiの一部を同族元素で置換することは、ZrよりHfで置換することが熱伝導度の低減、及び性能指数の向上にはもっとも効果的である。したがって、Hfによる一部の置換量によるTi1−xHfxNiSnの熱電特性の最適化調査を行った。図9は、Hf置換量による無次元性能指数ZTの変化を示す。いずれもTiNiSnと比べてTi1−xHfxNiSnの値が上昇していることがわかる。最適なHf置換量を決定することは難しいが、結果として、Hf置換量は、x=0.2が最も高いZTを示す。Ti1−xHfxNiSnのピークZT値は、TiNiSnの値と比較すると、670Kで0.28から0.43と約1.5倍上昇した。ピーク温度は異なるが、次に高い値を示したのはx=0.05であった。いずれも、出力因子の高さが反映されている。Hf5at%置換では、10at%以上置換したものと比べ熱伝導率の低減効果は劣るが、ZTのピークが得られる温度域ではその差は1W/mKにも満たないために高いZT値が得られた。
実施例3
図10は、本発明の溶解方法と、溶解、粉砕及び加圧焼結方法の二つの材料作製方法によって得られたTi1−xHfxNiSn型ハーフホイスラーの熱伝導度を示す。同族元素で置換したTi1−xHfxNiSn型ハーフホイスラーの熱電材料の熱伝導度に及ぼす材料作製の影響でもTiNiSnと同じような傾向が見られた。溶解、粉砕後にホットプレス方法を用いて焼結したTi1−xHfxNiSnの熱伝導度は、溶解方法で作製したTi1−xHfxNiSnの熱伝導度より低い値を示した。
【0028】
基本焼結体であるTiNiSnの電気的な特性を向上させるため、SnサイトのSnの一部をSbで置換した。図11は、作製した材料TiNiSnとTi0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01との出力因子を示す。TiNiSnの出力因子は1.8mW/mK2の値を示し、1at%のSbで置換したTi0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01は、3.2mW/mK2の向上した値が得られた。これの結果からSbによるSnの一部置換は、Ti1−xHfxNiSn1−zSbz(M=Ti、Zr、Hf)型ハーフホイスラー熱電材料の電気的な特性の最適化に有効であると言える。
実施例4
溶解方法で作製したTi0.95Hf0.05NiSn1−zSbz材料のSb置換効果を図12にゼーベック係数と電気抵抗の基づく出力因子で示す。0.1at%以上のSb置換量では出力因子が、TiNiSnやTi0.95Hf0.05NiSnと比べ大幅に増加することがわかる。この結果から、置換量を増やすと出力因子は向上し1at%Sb置換で出力因子は最大値をとり、それ以上の置換では出力因子を低下させていることがわかる。これらの結果から、出力因子は向上にはSb置換量は、置換量範囲が0.1at%〜5at%好ましくは0.5at%〜2at%であり、1at%が最も有効的であった。
【0029】
図13は、本発明の溶解方法と、溶解、粉砕及び加圧焼結方法のそれぞれで作製した二つの材料Ti0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01とTi0.8Hf0.2NiSn0.99Sb0.01の無次元性能指数ZTを示す。四つの材料ともに温度域600Kから800Kで高い無次元性能指数を示している。特に、溶解、粉砕後に、ホットプレス方法を用いて焼結したTi0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01熱電材料では、出力因子が4.0mW/mK2の最大値と、熱伝導度が3.6W/mKの最小値を示し、本発明で最も高い熱電性能指数、770Kで0.77のZTが得られた。
【0030】
本発明において、熱電材料の焼結体を作製すること、Tiの同族元素HfでTiの一部を置換することによって、熱伝導度の低減が得られ、且つ適切なSnの一部をSb量の置換することにより電気的な特性、出力因子の向上を得ることができた。
【0031】
より細粒の粉末を用いて焼結することが、さらに低い熱伝導度が得られることは上記結果から当然である。したがって、本発明によるM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料にあっても細かい粒径をもつ粉末を用いて焼結することで熱電性能を向上することができる。
【0032】
【発明の効果】
本発明は、従来のMNiSn(M=Ti、Zr、Hf)ハーフホイスラー型高温用熱電材料を新たな組成を有するM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料とその作製方法によって熱電特性の改善をしたものである。
【0033】
本発明のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の原料をアーク溶解して各元素を固溶合金化したのち、得られた鋳塊を破砕微細化して、ホットプレス法により焼結、そして熱処理を行うことによって、25mmの径の焼結体熱電材料をクラックがなく、1:1:1の化学量論組成比をもつ半導体相を体積率99%以上有する状態で作製することができた。
【0034】
本発明のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の熱電性能は、ゼ−ベック係数α、電気抵抗ρ、熱伝導度κの3つのパラメーターによって、無次元性能指数ZT=α2T/ρκで示される。この無次元性能指数ZTは熱電変換効率を決める材料の重要なパラメーターである。α2/ρは出力因子と呼び、ゼ−ベック係数が大きく、電気抵抗が小さい材料が高い出力因子を示し、更に熱伝導度が低い材料が高い無次元性能指数ZTを示すことになる。高いZT値を示す熱電材料は熱電性能に優れることになる。
【0035】
従来の溶解方法によって作製されたTiNiSn熱電材料では、溶解方法によって作製された材料が10W/mK程度の高い熱伝導度をもっているため、無次元性能指数は高くならない。本発明の溶融、粉砕及び加圧焼結方法によって製造された熱電材料では、焼結体は微少な気孔が均一に存在し、これらの気孔が熱伝導度を低くする一つの役割をすると考えることができる。図4に示すように、本発明の溶解方法によって作製して且つ本発明の組成を有するMNiSn(M=Ti、Zr、Hf)ハーフホイスラーの熱伝導度は、300Kにおいて従来品の10W/mKに対して7W/mKまで低減している。また、本発明の溶融・粉砕及び加圧焼結によって作製して且つ本発明の組成を有するMNiSn(M=Ti、Zr、Hf)ハーフホイスラーの熱伝導度は、300Kにおいて4W/mKまで低減している。
【0036】
上記の無次元性能指数ZTを表す式から、熱伝導度を下げると熱電性能指数は上がることになる。従来の熱電材料では熱伝導度を下げると出力因子も下がる傾向を示し、熱電性能指数の向上は得られない場合が多い。しかしながら、本発明のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料では熱伝導度が低下し、且つ出力因子はまだ高い値を示し、無次元性能指数の向上が可能であった。
【0037】
また、本発明でも最も重要な要素はM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の熱伝導度を下げるため、TiサイトのTiと原子量との差が最も大きい同族元素Hfを置換することにある。同族元素Hfで置換することによって、熱伝導度は2.5W/mkまで低下させることができた。一般的に熱伝導度は格子熱伝導度と電子熱伝導度の和で表わされ、熱電材料の熱伝導度は格子熱伝導度の寄与が大きい。MNiSn(M=Ti、Zr、Hf)ハーフホイスラーの熱伝導度においても格子熱伝導度が約98%を示している。同族元素Hfの添加により格子熱伝導度を4.8W/mKから2.8W/mKまで下げることを実現した。
【0038】
さらに、電気的な特性(出力因子α2/ρ)を最適化するため、SnサイトにSbを置換した。電気的な特性を表わしている出力因子はSbを添加してないTiNiSnの2.0から3.5mW/mK2まで向上することができた。Tiと同族元素のHfで置換したTi1−xHfxNiSnの出力因子もSbを微量添加することで、出力因子は4.0mW/mK2の高い値を得るのができた。これらの結果から、熱電性能指数は図5に示すTiNiSnの0.3(650K)から、図13に示すTi0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01の0.77(770K)まで向上した。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、溶解方法のみで作成したTiNiSnの組織写真である。
【図2】図2は、溶解方法その後焼結方法を用いて作成したTiNiSnの組織写真である。
【図3】図3は、TiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の作成方法による出力因子を示す。
【図4】図4は、TiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の作成方法による熱伝導度を示す。
【図5】図5は、TiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の作成方法による無次元化性能指数ZTを示す。
【図6】図6は、溶解方法で作成したTiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の一部を周期律表の同属元素で置換した材料の熱伝導度を示す。
【図7】図7は、溶解方法で作成したTiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の一部を周期律表の同属元素で置換した材料の格子熱伝導度を示す。
【図8】図8は、溶解方法で作成したTiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の一部を周期律表の同属元素で置換した材料の熱電性能指数を示す。
【図9】図9は、溶解方法で作成したTiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の一部を周期律表の同属元素のHfで置換した材料の添加量による熱電性能指数示す。
【図10】図10は、Ti1−xHfx・NiSnハーフホイスラー型の熱電材料の作成方法による熱伝導度を示す。
【図11】図11は、焼結体TiNiSnの出力因子に及ぼすSb添加効果を示す。
【図12】図12は、溶解方法で作成したTi0.95Hf0.05NiSn型の熱電材料のSb添加量が及ぼす出力因子を示す。
【図13】図13は、TiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の作成方法によるHfおよびSbの複合天下による無次元性能指数ZTを示す。
【発明の属する技術分野】
本発明は、広く一般的な用途に適した性能を備えたM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Cz(MまたはAが、Ti、Zr、Hfの少なくとも1種)ハーフホイスラー型の高温用熱電材料及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
MNiSn(M=Ti、Zr、Hf)ハーフホイスラー型の高温用熱電材料は、従来は種々の溶解等を用いて溶解した鋳塊をさらに高温熱処理を施すことによって製作されてきた。ハーフホイスラー型の高温用熱電材料は、熱電材料の化学組成が半導体的性質を示すM:Ni:Sn=1:1:1の化学量論的組成比を有するハーフホイスラー相を備えることが最も重要である。しかしながら、種々の溶解炉等を用いた従来の上記作成方法では、充分に満足する性能を備えたM:Ni:Sn=1:1:1の化学量論的組成比を有し且つMNiSnハーフホイスラー単相、例えば、TiNiSn相が均一に分布した熱電材料作成することは困難であった。したがって、従来の溶解炉等を用いた作成方法は、熱電材料の性能として重要である特に低い熱伝導度を備えるハーフホイスラー型の高温用熱電材料の作成方法としては適切でない。
【0003】
また、ハーフホイスラー型の高温用熱電材料の原料粉末を溶融して組成成分が固溶した合金鋳塊(鋳塊)を作成して、その後この合金鋳塊を粉砕且つ微細化して、さらにこれらの鋳塊微細化粉末を焼結する作成方法が用いられてきた。しかし、従来の組成を有するハーフホイスラー型の高温用熱電材料では、この材料自体が有するの脆さを改善することができず、実際に用途に適用するためには加工性の高い熱電材料の提供が望まれている。
【0004】
一般的に熱電材料の熱伝導度を低減するには、組成成分が均一に混合された固溶体を形成することにより、格子熱伝導度の寄与分を低減する方法が用いられている。均一固溶体の形成による格子熱伝導度の低減は、固溶する互いの元素の原子量差が大きいほどより低い格子熱伝導度を示すと考えられている。したがって、Mに周期律表の同属元素のTi、Zr及びHfの2種を添加することにより格子熱伝導率を低減してきた。しかしながら、ハーフホイスラー型の格子熱伝導率は、現在実用化されている異種の構造式を有するBi−Te型の熱電材料に比較してまだかなり低減することが望まれる。
【0005】
【非特許文献1】
Effect of partial substitution of Ni by Pd on the thermoelectric properties of ZrNiSn−based half−Heusler compounds: Q. Shen and et al; Applied Physics letters, Vol. 79, No. 25, P4165−4167 (December 17, 2001)
【非特許文献2】
Effect of Sb doping on the thermoelectric properties of Ti−based half−Heusler compounds, TiNiSn1−xSbx: S. Bhattacharya and et al; Applied Physics letters, Vol. 77, No. 16, P2476−2478 (October 16, 2000)
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ハーフホイスラー型の結晶構造を有するM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Cz型化合物をベースとする高温用熱電材料を実用化するために熱電性能指数(ゼーベック係数α、電気抵抗ρ、熱伝導度κ)を向上させる必要がある。そこで本発明においては熱電性能指数を向上させた合金成分比を有するハーフホイスラー型の熱電材料、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
本発明の熱電材料の製造方法においては、M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Cz(MまたはAが、Ti、Zr、Hfの少なくとも1種)型化合物の原材料を例えばアーク溶解して各成分が固溶した合金を製造し、得られた鋳塊を粉砕微細化して、この粉砕微細化した粉末を任意の形状にホットプレスらで加圧焼結する。さらに得られた焼結材料は、必要に応じて所定の温度で熱処理が施される。
【0008】
したがって、本発明は、広範囲の実用用途に適した性能を備えるM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料及びその製造方法を提供する。さらに具体的には、本発明は、必要な性能を備えるために成分が適正な範囲に調整され且つ均一分布したM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料及びその製造方法を提供する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料においては、1)格子熱伝導率を低減するために、M1−xAxサイトが母元素Mのみで構成するのでなく母元素Mの一部元素を原子量の差の大きい同属元素Aで置換し、且つ2)電気的な特性(ゼーベク係数、電気抵抗及び出力因子)を向上させるために、Snz−1Czサイトが母元素Snのみで構成されるのでなく、母元素Snの一部分を他の元素C(例えば、In、Sb及びTe)で置換し、さらに1)と2)置換されるそれぞれの元素の最適成分範囲を決定する。また、本発明のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の製造方法においては、原材料を溶解して各元素が固溶した合金鋳塊を形成して、得られた鋳塊を粉砕微細化してその後加圧焼結して、必要に応じて、さらに均一な合金を得るために熱処理を施す。
【0010】
すなわち、本発明のハーフホイスラー型の高温用熱電材料は、M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czの構造式を有するハーフホイスラー型の高温用熱電材料であって、
前記構造式においてMがTi、Zr及びHfの群から選択された1種の元素であり、且つAがMに選択されなかったTi、Zr及びHfの群の残部から選択された1種の元素であり、
BがPdまたはPtの元素であり、且つ
CがIn、Sb及びTeの群から選択された1種の元素であり、
x及びyが0.05〜0.5の範囲であり、且つZが0.001〜0.05の範囲にあり、
前記組成を有する固溶体の鋳塊粉末を焼結した半導体相であることを特徴とする。
【0011】
さらに、本発明の高温用熱電材料は、Ni1−yByの部分がNiのみから成ること、またはSnz−1Czの部分がSnのみからなることのいずれか一方であることを特徴とする。本発明の熱電材料は、前記MがTiであって、且つ前記AがHfである。さらに、本発明の熱電材料は、M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の全体積中に、前記半導体相が、99〜90%の体積率で存在する。さらに、本発明の熱電材料は、500〜800Kで2.5〜3W/mK、好ましくは570Kで3.1W/mK以下の熱伝導度を有する。さらに、本発明の熱電材料は、前記構造式において、MとAとの原子量の差、及びNIとBの原子量の差が最も大きいことを特徴とする。
【0012】
また、本発明は、上記のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の製造方法であって、
M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czの構造式の組成を構成するM、A、Ni、B、Sn及びCの各原材料を用意する工程、
前記各原材料を溶融し固溶体の鋳塊を形成する工程、
前記鋳塊を粉砕微細化して粉末を形成する工程、及び
前記粉末を加圧焼結する工程、
を含むことを特徴とする。
【0013】
さらに、本発明の製造方法においては、前記粉末を形成する工程が、前記粉末の平均粒径を45μm未満にする。また、本発明の製造方法においては、前記粉末を加圧焼結する工程が、1.33×10−2Pa以下の真空度と35MPa以上の焼結圧力でもって、700〜900℃の温度範囲で3〜10時間行われる。さらに、本発明の製造方法においては、前記固溶体の鋳塊、または前記粉末を加圧焼結した焼結体を、前記半導体相をさらに形成するために、700〜1000℃の温度範囲で24時間〜1ヶ月の期間熱処理を施す。
【0014】
本発明においては、原材料を溶融して固溶体の鋳塊を形成する工程には、アーク溶解法等(溶融材料を攪拌することができる低周波溶解法等)を用いるのが好ましいが、従来の真空または不活性雰囲気の溶解炉を使用することができる。また、固溶体の鋳塊の粉末を加圧焼結する工程には、ホットプレス法を用いるのが好ましいが、加圧成形工程及び焼結工程を別々に行う従来の方法を用いることもできる。
【0015】
【発明の実施の形態】
熱電材料は、小さなバンド(禁制帯)ギャップ(0.05〜0.5ev)を持つ半導体相の熱電材料が優れた熱電特性(大きなゼーベック係数α、小さな電気抵抗ρ及び低い熱伝導度κにより向上する)を示す。M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料は、この熱電材料を構成する相の種類(半導体相、金属相)の組成比(化学量論組成比の1:1:1からのずれ)によって、電気的及び熱的な熱電特性が著しく変化する。本発明は、この点に着目し、本発明のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czの構造式における組成が、1:1:1の科学量論組成比を持つ半導体相を可能な限り多く含むことすなわち金属相の影響を少なくすることによって、熱電材料の熱電特性を向上することができる。また、M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の熱伝導度は、M1−x母元素の原子量と固溶される元素Axの原子量との差を大きくすることによって熱伝導度は急激に低下させることができ、さらにM1−xAxサイトの各元素の均一な固溶体化をすることよって下げることができる。また、熱電材料の熱電特性の向上はキャリア濃度の最適化(M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czの構造式のA、B及びCの最適量の添加)によって達成される。したがって、本発明においては、さらにSnz−1Czサイトに最適範囲の母合金Sn以外の他の元素(In、Sb及びTe)を添加することによってさらに電気的な特性の向上を図る。
【0016】
【実施例】
本発明においては、実施例として直径が25mmの熱電材料を製作した。この熱電材料は、M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czが、1:1:1の化学量論組成比を持つ半導体相を可能な限り多く含むこと(金属相の存在を限りなく少なくする)によって熱電特性の向上が可能である。本発明では溶解によって固溶合金化された材料を破砕微細化し、もう一度加圧焼結させ、必要に応じてさらに熱処理をすることで、優れた熱電特性を示すM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czが1:1:1の化学量論組成比を有する半導体相(体積率99〜90%)とすることができた。
【0017】
上記M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型結晶構造を有する化合物は、MNiSn、M1−xAxNiSn、MNi1−yBySn、MNiSnz−1Cz、M1−xAxNi1−yBySn、M1−xAxNiSnz−1Cz、MNi1−yBySnz−1Cz、及びM1−xAxNi1−yBySnz−1Czの一般式で表わされる化合物である。元素MがTiの場合、周期律表の同族元素として添加する元素Aは元素MのTi以外のZrまたはHfいずれであっても良い。元素MがHfの場合も同様にTiまたはZrのいずれであっても良い。M1−xAxサイトの母合金Mを置換する元素Aのxの範囲は0.05〜0.5である。Ni1−yByサイトの母合金Niを置換する元素Bは周期律表の同族元素のPdまたはPtのいずれかであり、元素Bのyの範囲は0.05〜0.5である。Snz−1Czサイトの母合金Snと置換する元素CはIn、SbまたはTeのいずれかであり、元素Cのyの範囲は0.001〜0.05の小量を添加する。
【0018】
M1−xAxサイトのMとAと原子量の差を大きくすることによって熱伝導度の低減による熱電性能指数の向上のために、M1−xAxの母元素M1−xはTiとし、Tiの原子量と最も原子量の差が大きいHfをAx元素とした熱電材料の作製を行った。さらに、熱電特性に寄与するゼーベック係数を大きくし且つ電気抵抗を小さくして最適化するため、Snz−1CzサイトのC元素としてSb(z=0.001〜0.05)を適量添加して材料の作製を行った。
実施例1
本発明の体表的な実施態様である熱電材料の作製方法と得られた熱電材料の熱電特性を図面やグラフを使って具体的に説明する。
【0019】
本実施態様においては、先ずM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の体表的な化合物であるM・Ni・Snを主組成とする熱電材料を製造した。熱電材料の出発原料は、純度99.99%のTiチップ(小片)、純度99.99%のNi、及び純度99.999%の粒状Sbを使用した。本発明においては、溶解方法と材料調整は次のように行った。これらの出発原料は、M・Ni・Snの化学量論組成となるように所定量秤量し、アルゴン雰囲気中(1.33×10−1 〜 −2Pa)でアーク溶解することにより鋳塊を作製した。固溶合金化した鋳塊はアルミナ乳鉢で破砕し、ふるいで平均粒径45μmに揃えた。こうして得られた粉末を、ホットプレス焼結装置で、焼結材料を圧力35MPaで加圧成形し、温度800℃で5時間焼結(1.33×10−1 〜 −2Paのアルゴン雰囲気または低真空中)することにより、25mmの径をもつ円盤状の焼結体熱電材料を作製した。更に、得られた焼結体熱電材料を、石英中に1.33×10−2Pa(10−4Torr)またはそれ以下の圧力に真空封入し、カンタル炉内で700〜1000℃で24時間〜1ヶ月の熱処理条件で熱処理を行った。
【0020】
アーク溶解法後粉砕・加圧焼結しなかったM・Ni・Snの熱電材料の組織を図1に示す。図1に示すようにM・Ni・Snが1:1:1成分比をもつ半導体相の他に、電気及び熱的に金属的な特性を示すTi6Sn6の金属間化合物相、及び単独Sn相などが多く形成しているのが分かった。これらの金属相が多く含まれている場合、半導体M・Ni・Snの熱電特性に与える影響はふさわしくないと言える。また、このように溶解方法のみで作られた材料は溶解後、急冷されるために得られた鋳塊では大きいクラックが発生する問題がある。発生したクラックは材料の加工性を著しく悪くすると考えられる。
【0021】
しかしながら、本発明の溶解・粉砕及び加圧焼結方法で得られた熱処理後の焼結体熱電材料は、図1に比較して図2に示すようにM・Ni・Snが1:1:1の化学量論組成比をもつ半導体相が多く存在している。また、半導体相以外に単独Sn相などの体積率が大幅に低減していることが分かる。また、Ti6Sn5の金属間化合物相の体積率も溶解方法のみで作製した材料に比べ、非常に少ないことがわかる。
【0022】
一般に熱電材料の中にクラックが存在すると、熱電性能には悪い影響を及ぼし、熱電材料を熱電素子及び熱電モジュール等を製造する場合、脆くて加工性が悪くなり、生産性を引き下げる原因となる。そこで、本発明の特徴であるアーク溶解炉らにより溶解して得られた鋳塊を破砕微細化して、それらの粉末をホットププレス装置らで加圧焼結することで、クラック等がない均一に各成分が固溶した焼結体熱電材料が得られ、加工性の良い大きな寸法(25〜35φ×5〜10t)の熱電材料を作製することができた。
【0023】
熱電材料の性能は、ゼーベック係数α、電気抵抗ρ、熱伝導度κの3つのパラメーターによって、無次元性能指数ZT=α2T/ρκで示される。この無次元性能指数ZTは熱電変換効率を決める材料の重要なパラメーターである。α2/ρは出力因子と呼び、ゼーベック係数が大きく、電気抵抗が小さい材料が高い出力因子を示し、更に熱伝導度が低い材料が高い無次元性能指数ZTを示すことになる。高いZT値を示す熱電材料は熱電性能に優れることになる。
【0024】
図3〜5は、本発明の溶解方法とその後の焼結方法との二つの作製方法によって得られたMNiSn型のハーフホイスラー化合物の温度と出力因子との関係を示す。この電気的な特性を示す出力因子は、ゼーベック係数、電気抵抗から算出した出力因子であり熱的な特性を熱伝導度で示す。出力因子と熱伝導度から計算した無次元性能指数ZTの温度依存性を示す。二つの材料作製方法による電気的な特性、出力因子の値には大きな違いが見られないが熱伝導度の値では大きい差が見られる。焼結方法により製作された焼結体熱電材料は、溶解方法で作製された材料より熱の移動を散乱させる気孔や粒界が多く存在している。これらの散乱によって、TiNiSnハーフホイスラーの室温における熱伝導度は、7W/mKから3.8W/mKに下がった。そして、TiNiSnハーフホイスラーの熱伝導度の最小値は570Kで3.1W/mKを示した。本発明で最も重要な結果であるが、TiNiSnハーフホイスラー焼結体熱電材料を作製することは熱伝導度を低減に有効的であることが理解できる。
【0025】
このように、焼結体熱電材料を焼結方法により熱伝導度の低減と共に、さらに低い熱伝導度を得るため、本発明ではTiNiSnの熱伝導度の98%を占める格子熱伝導度を下げることを意図する。すなわち、本発明者等は様々な実験を行った結果、Ti及びNiの各サイトを周期律表の同族元素(TiサイトはZrとHf、NiサイトはPdとPt)で置換することで熱伝導度を低減できることを見いだした。この考察の中でも、母元素Tiを、Tiと同族元素の他の元素で一部置換することでもっと低い熱伝導度を得ることができた。
実施例2
したがって、本発明は、M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型熱電材料の熱伝導度を低減するため、Ti及びNiの一部を周期律表のそれらの同族元素を置換する。図6には基本熱電材料であるTiNiSnのTi及びNiの各サイトにそれぞれの同族元素で置換したTiNiSn基の熱電材料の熱伝導度を示す。本発明者はTiサイトの母元素TiをZrとHfで置換し、且つNiサイトの母元素Niの一部をPtをそれぞれ置換し、その熱伝導度を調べた。Tiサイトの母元素TiをZrやHf同族元素で置換することが熱伝導度の低減にはもっとも効果的であることが判明した。すなわち、Tiサイトの母元素Tiの一部を同族元素Zr、Hfで置換することにより、熱伝導度を低減することが本発明の特徴の1つであるとする。
【0026】
Tiサイトの母元素TiをZr及びHf同族元素での置換による熱伝導度の低減には図7に示すように格子熱伝導度の低減が重要な原因であることが判明した。図6においては、電子熱伝導度のレベルは、少し上がった傾向を示しているものの、図7に示すように、本発明の特徴である格子熱伝導度の低下には母元素の一部を同族元素で置換することが好ましいと言える。図8には溶解方法で母元素を同族元素で置換して作製した材料の無次元性能指数ZTを示す。図8に示すように、熱伝導度の低減の効果で無次元性能指数ZTは向上した。無次元性能指数ZTの温度依存性の変動は、温度域600Kから800Kまで高い値を示し、高温用熱電材料として好ましい傾向を示した。
【0027】
図7及び8からわかるように、TiサイトのTiの一部を同族元素で置換することは、ZrよりHfで置換することが熱伝導度の低減、及び性能指数の向上にはもっとも効果的である。したがって、Hfによる一部の置換量によるTi1−xHfxNiSnの熱電特性の最適化調査を行った。図9は、Hf置換量による無次元性能指数ZTの変化を示す。いずれもTiNiSnと比べてTi1−xHfxNiSnの値が上昇していることがわかる。最適なHf置換量を決定することは難しいが、結果として、Hf置換量は、x=0.2が最も高いZTを示す。Ti1−xHfxNiSnのピークZT値は、TiNiSnの値と比較すると、670Kで0.28から0.43と約1.5倍上昇した。ピーク温度は異なるが、次に高い値を示したのはx=0.05であった。いずれも、出力因子の高さが反映されている。Hf5at%置換では、10at%以上置換したものと比べ熱伝導率の低減効果は劣るが、ZTのピークが得られる温度域ではその差は1W/mKにも満たないために高いZT値が得られた。
実施例3
図10は、本発明の溶解方法と、溶解、粉砕及び加圧焼結方法の二つの材料作製方法によって得られたTi1−xHfxNiSn型ハーフホイスラーの熱伝導度を示す。同族元素で置換したTi1−xHfxNiSn型ハーフホイスラーの熱電材料の熱伝導度に及ぼす材料作製の影響でもTiNiSnと同じような傾向が見られた。溶解、粉砕後にホットプレス方法を用いて焼結したTi1−xHfxNiSnの熱伝導度は、溶解方法で作製したTi1−xHfxNiSnの熱伝導度より低い値を示した。
【0028】
基本焼結体であるTiNiSnの電気的な特性を向上させるため、SnサイトのSnの一部をSbで置換した。図11は、作製した材料TiNiSnとTi0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01との出力因子を示す。TiNiSnの出力因子は1.8mW/mK2の値を示し、1at%のSbで置換したTi0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01は、3.2mW/mK2の向上した値が得られた。これの結果からSbによるSnの一部置換は、Ti1−xHfxNiSn1−zSbz(M=Ti、Zr、Hf)型ハーフホイスラー熱電材料の電気的な特性の最適化に有効であると言える。
実施例4
溶解方法で作製したTi0.95Hf0.05NiSn1−zSbz材料のSb置換効果を図12にゼーベック係数と電気抵抗の基づく出力因子で示す。0.1at%以上のSb置換量では出力因子が、TiNiSnやTi0.95Hf0.05NiSnと比べ大幅に増加することがわかる。この結果から、置換量を増やすと出力因子は向上し1at%Sb置換で出力因子は最大値をとり、それ以上の置換では出力因子を低下させていることがわかる。これらの結果から、出力因子は向上にはSb置換量は、置換量範囲が0.1at%〜5at%好ましくは0.5at%〜2at%であり、1at%が最も有効的であった。
【0029】
図13は、本発明の溶解方法と、溶解、粉砕及び加圧焼結方法のそれぞれで作製した二つの材料Ti0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01とTi0.8Hf0.2NiSn0.99Sb0.01の無次元性能指数ZTを示す。四つの材料ともに温度域600Kから800Kで高い無次元性能指数を示している。特に、溶解、粉砕後に、ホットプレス方法を用いて焼結したTi0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01熱電材料では、出力因子が4.0mW/mK2の最大値と、熱伝導度が3.6W/mKの最小値を示し、本発明で最も高い熱電性能指数、770Kで0.77のZTが得られた。
【0030】
本発明において、熱電材料の焼結体を作製すること、Tiの同族元素HfでTiの一部を置換することによって、熱伝導度の低減が得られ、且つ適切なSnの一部をSb量の置換することにより電気的な特性、出力因子の向上を得ることができた。
【0031】
より細粒の粉末を用いて焼結することが、さらに低い熱伝導度が得られることは上記結果から当然である。したがって、本発明によるM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料にあっても細かい粒径をもつ粉末を用いて焼結することで熱電性能を向上することができる。
【0032】
【発明の効果】
本発明は、従来のMNiSn(M=Ti、Zr、Hf)ハーフホイスラー型高温用熱電材料を新たな組成を有するM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料とその作製方法によって熱電特性の改善をしたものである。
【0033】
本発明のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の原料をアーク溶解して各元素を固溶合金化したのち、得られた鋳塊を破砕微細化して、ホットプレス法により焼結、そして熱処理を行うことによって、25mmの径の焼結体熱電材料をクラックがなく、1:1:1の化学量論組成比をもつ半導体相を体積率99%以上有する状態で作製することができた。
【0034】
本発明のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の熱電性能は、ゼ−ベック係数α、電気抵抗ρ、熱伝導度κの3つのパラメーターによって、無次元性能指数ZT=α2T/ρκで示される。この無次元性能指数ZTは熱電変換効率を決める材料の重要なパラメーターである。α2/ρは出力因子と呼び、ゼ−ベック係数が大きく、電気抵抗が小さい材料が高い出力因子を示し、更に熱伝導度が低い材料が高い無次元性能指数ZTを示すことになる。高いZT値を示す熱電材料は熱電性能に優れることになる。
【0035】
従来の溶解方法によって作製されたTiNiSn熱電材料では、溶解方法によって作製された材料が10W/mK程度の高い熱伝導度をもっているため、無次元性能指数は高くならない。本発明の溶融、粉砕及び加圧焼結方法によって製造された熱電材料では、焼結体は微少な気孔が均一に存在し、これらの気孔が熱伝導度を低くする一つの役割をすると考えることができる。図4に示すように、本発明の溶解方法によって作製して且つ本発明の組成を有するMNiSn(M=Ti、Zr、Hf)ハーフホイスラーの熱伝導度は、300Kにおいて従来品の10W/mKに対して7W/mKまで低減している。また、本発明の溶融・粉砕及び加圧焼結によって作製して且つ本発明の組成を有するMNiSn(M=Ti、Zr、Hf)ハーフホイスラーの熱伝導度は、300Kにおいて4W/mKまで低減している。
【0036】
上記の無次元性能指数ZTを表す式から、熱伝導度を下げると熱電性能指数は上がることになる。従来の熱電材料では熱伝導度を下げると出力因子も下がる傾向を示し、熱電性能指数の向上は得られない場合が多い。しかしながら、本発明のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料では熱伝導度が低下し、且つ出力因子はまだ高い値を示し、無次元性能指数の向上が可能であった。
【0037】
また、本発明でも最も重要な要素はM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の熱伝導度を下げるため、TiサイトのTiと原子量との差が最も大きい同族元素Hfを置換することにある。同族元素Hfで置換することによって、熱伝導度は2.5W/mkまで低下させることができた。一般的に熱伝導度は格子熱伝導度と電子熱伝導度の和で表わされ、熱電材料の熱伝導度は格子熱伝導度の寄与が大きい。MNiSn(M=Ti、Zr、Hf)ハーフホイスラーの熱伝導度においても格子熱伝導度が約98%を示している。同族元素Hfの添加により格子熱伝導度を4.8W/mKから2.8W/mKまで下げることを実現した。
【0038】
さらに、電気的な特性(出力因子α2/ρ)を最適化するため、SnサイトにSbを置換した。電気的な特性を表わしている出力因子はSbを添加してないTiNiSnの2.0から3.5mW/mK2まで向上することができた。Tiと同族元素のHfで置換したTi1−xHfxNiSnの出力因子もSbを微量添加することで、出力因子は4.0mW/mK2の高い値を得るのができた。これらの結果から、熱電性能指数は図5に示すTiNiSnの0.3(650K)から、図13に示すTi0.95Hf0.05NiSn0.99Sb0.01の0.77(770K)まで向上した。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、溶解方法のみで作成したTiNiSnの組織写真である。
【図2】図2は、溶解方法その後焼結方法を用いて作成したTiNiSnの組織写真である。
【図3】図3は、TiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の作成方法による出力因子を示す。
【図4】図4は、TiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の作成方法による熱伝導度を示す。
【図5】図5は、TiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の作成方法による無次元化性能指数ZTを示す。
【図6】図6は、溶解方法で作成したTiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の一部を周期律表の同属元素で置換した材料の熱伝導度を示す。
【図7】図7は、溶解方法で作成したTiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の一部を周期律表の同属元素で置換した材料の格子熱伝導度を示す。
【図8】図8は、溶解方法で作成したTiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の一部を周期律表の同属元素で置換した材料の熱電性能指数を示す。
【図9】図9は、溶解方法で作成したTiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の一部を周期律表の同属元素のHfで置換した材料の添加量による熱電性能指数示す。
【図10】図10は、Ti1−xHfx・NiSnハーフホイスラー型の熱電材料の作成方法による熱伝導度を示す。
【図11】図11は、焼結体TiNiSnの出力因子に及ぼすSb添加効果を示す。
【図12】図12は、溶解方法で作成したTi0.95Hf0.05NiSn型の熱電材料のSb添加量が及ぼす出力因子を示す。
【図13】図13は、TiNiSnハーフホイスラー型の熱電材料の作成方法によるHfおよびSbの複合天下による無次元性能指数ZTを示す。
Claims (10)
- M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czの構造式を有するハーフホイスラー型の高温用熱電材料であって、
前記構造式においてMがTi、Zr及びHfの群から選択された1種の元素であり、且つAがMに選択されなかったTi、Zr及びHfの群の残部から選択された1種の元素であり、
BがPdまたはPtの元素であり、且つ
CがIn、Sb及びTeの群から選択された1種の元素であり、
x及びyが0.05〜0.5の範囲であり、且つZが0.001〜0.05の範囲にあり、
前記組成を有する固溶体の鋳塊粉末を焼結した半導体相であることを特徴とするM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料。 - 前記Ni1−yByの部分がNiのみから成ること、または前記Snz−1Czの部分がSnのみからなることのいずれか一方であることを特徴とする請求項1記載の高温用熱電材料。
- 前記MがTiであって、且つ前記AがHfであることを特徴とする請求項1または2記載の高温用熱電材料。
- M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の全体積中に、前記半導体相が、99〜90%の体積率で存在することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1に記載の高温用熱電材料。
- 500〜800Kで2.5〜3W/mKの熱伝導度を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の高温用熱電材料。
- 前記構造式において、MとAとの原子量の差、及びNIとBの原子量の差が最も大きいことを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の高温用熱電材料。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載のM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の製造方法であって、
M1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czの構造式の組成を構成するM,A、Ni、B、Sn及びCの各原材料を用意する工程、
前記各原材料を溶融し固溶体の鋳塊を形成する工程、
前記鋳塊を粉砕微細化して粉末を形成する工程、及び
前記粉末を加圧焼結する工程、
を含むことを特徴とするM1−xAx・Ni1−yBy・Snz−1Czハーフホイスラー型の高温用熱電材料の製造方法。 - 前記粉末を形成する工程が、前記粉末の平均粒径を45μm未満にすることを特徴とする請求項7記載の製造方法。
- 前記粉末を加圧焼結する工程が、1.33×10−2Pa以下の真空度と35MPa以上の焼結圧力でもって、700〜900℃の温度範囲で3〜10時間行われることを特徴とする請求項7または8記載の製造方法。
- 前記固溶体の鋳塊、または前記粉末を加圧焼結した焼結体を、700〜1000℃の温度範囲で24時間〜1ヶ月の期間熱処理を施し、前記半導体相の形成量を増加させることを特徴とする請求項7〜9記載の方法。
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