JP2005259869A - 熱電材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 熱電材料の製造方法において、溶製処理後一方向凝固して得られる溶製材あるいは溶製材粉末を、金属缶に真空封入し、これを冷間または熱間溝ロール圧延加工することによって酸化反応や不純物の混入のない、高純度高密度微細結晶を有する熱電材料を容易に得る。
【選択図】 図6
Description
Tρ-1k-1;ただし、式中Sはゼーベック係数、Tは絶対温度、ρは電気抵抗率、kは熱伝導率を表す)で評価され、この式中、S2ρ-1の項は、出力因子(PF;Power
Factor)と呼ばれ、熱電材料の特性評価の上では極めて重要な因子である。すなわち、熱電材料は、電気抵抗率ρが低いほど(逆に電気伝導度σが高いほど)、またゼーベック係数Sが高いほど、さらに熱伝導率kが低いほど熱電性能は高い、ということになる。現在ではこのような熱電特性を有する物質が多数見いだされており、その中でもとりわけ高い熱電変換効率を有する物質としては、各種化合物が知られている。例えば、Bi2
Te3、Bi2Se3等で示される低温域熱電材料や、PbTeで示される中温域熱電材料
、Si−Ge合金、CrSi2、MnSi〜1.73、FeSi2、CoSi等の高温域熱電材料等多数が知られている(非特許文献1)。
マ焼結法;Spark Plasma Sintering)等粉末冶金的焼結手段によって高密度に成形焼結し、これによって高強度の焼結体を得、これを切断加工して熱電素子化工程に供するのが通常であった。
坂田 亮編集、熱電変換工学(基礎と応用)、p.262−265、p.258−260、REALIZE INC.平成13年3月30日
(2) 該溶製材またはその粉末を封入する金属製缶が、Cu、Al、Fe、Ti、Niの一種の元素からなることを特徴とする、前記(1)項記載の熱電材料の製造方法。
(3) 該高純度高密度微細結晶からなる熱電材料を生成後、金属製の封入缶を取りのぞき、熱電材料を回収することを特徴とする、前記(1)項記載の熱電材料の製造方法。
(5) 該高純度高密度微細結晶からなる熱電材料を生成後、金属製封入缶を取りのぞき、熱電材料を回収することを特徴とする、前記(4)項記載の熱電材料の製造方法。
的強度が弱いため、歩留まりが悪いという問題がある。本発明では熱電材料を機械的強度の高い金属材料で包んでいるために加工による破損がなく、加工が容易になるという利点がある。
Bi2Te3熱電材料の作製例を図2に示す工程図に基づいて説明する。
原料としてBiとTeをそれぞれ原子量2対3となるように秤量後、石英管に真空封入した。この石英管をロッキング炉内に設置し、873Kで1時間溶融撹拌後、温度勾配をつけたまま、冷却速度0.2℃/minで室温まで降温(降温速度;の開示)し、一方向凝固させて溶製材を作製した。得られた溶製材を、予め用意された外形12mm、内径10mmの無酸素銅、アルミニウム製の各シース缶に、入るような大きさにカットして真空封入した。これとは別に、溶製材をアルミナ乳鉢で粉末化し、これを該各シース缶に充填して真空封入した。以上準備したシース缶試料を溝ロール圧延機にて圧延処理し、図3に
示すように断面縮小率;70%以上に圧延して角棒形状を呈した成形体(断面縮小率;70%、90%)を得た。その後、圧延されたシース缶を素子の大きさに切断加工し、シース缶の金属を取り除き、熱電材料を回収し、熱電材料の密度を測定した。その結果、理論密度に対する密度比は何れの試料も97%以上であり、ホットプレス材料に匹敵していることが確認された。
何れにしても図5に示すデータ、および図6に示すフォノン散乱から推定される低熱伝導度から、本発明の封入缶を使用した溝ロール圧延処理してなるものは、熱電特性を表す性能指数ZT(=S2Tρ-1k-1;ただし、式中Sはゼーベック係数、Tは絶対温度、ρは
電気抵抗率、kは熱伝導率を表す)、あるいは、この式中、出力因子(PF;Power
Factor)を示す、S2ρ-1の項は、相当の値を有し、何れも冷間プレス法と同等
の結果が得られ、充分に実用レベルに達していることから、熱電材料の作製として非常に有効であることが明らかとなった。
選択される少なくとも2種以上の元素
からなる熱電材料が含まれる。
Claims (5)
- Bi、Te、Sb、Ag、Pb、Ge、Sn、Se、As、Fe、Mn、Co、Si、Cuから選択される少なくとも2種以上の元素からなる熱電材料の溶製材またはその粉末を、金属製の缶に真空封入し、冷間または熱間溝ロール圧延処理して、高純度高密度微細結晶からなる熱電材料を生成させることを特徴とする、熱電材料の製造方法。
- 該溶製材またはその粉末を封入する金属製缶が、Cu、Al、Fe、Ti、Niの一種の元素からなることを特徴とする、請求項1に記載の熱電材料の製造方法。
- 該高純度高密度微細結晶からなる熱電材料を生成後、金属製の封入缶を取りのぞき、熱電材料を回収することを特徴とする、請求項1に記載の熱電材料の製造方法。
- Bi、Te、Sb、Ag、Pb、Ge、Sn、Se、As、Fe、Mn、Co、Si、Cuから選択される少なくとも2種以上元素からなる熱電材料原料元素粉末を金属製封入缶に真空封入し、加熱溶解し、封入缶内で溶製して熱電材料を合成し、その後冷間または熱間溝ロール圧延処理して、高純度高密度微細結晶からなる熱電材料を生成させることを特徴とする、熱電材料の製造方法。
- 該高純度高密度微細結晶からなる熱電材料を生成後、金属製封入缶を取りのぞき、熱電材料を回収することを特徴とする、請求項4に記載の熱電材料の製造方法。
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