JP2006237460A - Process for producing thermoelectric material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱を電気に変換する熱電材料の作製方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a thermoelectric material that converts heat into electricity.
一般に、熱電材料はPbTe系、スクッテルダイト系、ペロブスカイト系等種々の材料が存在するが、室温付近で最も大きな能力を発揮する材料としてはBi2Te3、Bi2Se3及びSb2Te3のようなV−VI族系等の熱電材料があり、センサー素子や光素子、LSI基板などの半導体回路、宇宙ステーションで使用される電子機器の冷却、レーザダイオード等の精密温度制御が要求されるところに使用されている。 In general, there are various thermoelectric materials such as PbTe, skutterudite, and perovskite, but Bi 2 Te 3 , Bi 2 Se 3, and Sb 2 Te 3 are materials that exhibit the greatest ability near room temperature. Thermoelectric materials such as V-VI group, such as sensor elements, optical elements, semiconductor circuits such as LSI substrates, cooling of electronic equipment used in space stations, precise temperature control of laser diodes, etc. are required However, it is used.
また、民生用としてはその低騒音特性、低振動性を生かし、ホテル用冷蔵庫やワインセラーの冷却に用いられている。逆に、熱から電気を生み出す熱電発電にも用いられており、特に室温付近での廃熱利用はBi2Te3系に勝るものは存在しない。その他、室温付近で比較的大きな能力を示すものとしては、強相関熱電子系のNaCo2O4やハーフホイスラー系熱電材料があるが、前記Bi2Te3にはまだ及ばない。 For consumer use, it is used to cool hotel refrigerators and wine cellars, taking advantage of its low noise characteristics and low vibration. On the contrary, it is also used for thermoelectric power generation that generates electricity from heat, and the use of waste heat especially near room temperature does not surpass the Bi 2 Te 3 system. In addition, examples of a relatively large capacity near room temperature include strongly correlated thermoelectron-based NaCo 2 O 4 and half-Heusler-based thermoelectric materials, which are still not as good as those of Bi 2 Te 3 .
室温付近で最も大きな能力を発揮するBi2Te3化合物は、菱面体結晶の単位胞中にBiとTeの原子をそれぞれ2と3個を含む層状構造で物理的性質に大きな異方性を持つ。この構造は六方晶表示のc軸方向にTe原子層の重なりが3組存在し、このTe−Te原子の結合はファン・デル・ワールス結合のため、共有結合やイオン結合およびそれらの混合結合で結合した他の原子間の結合より著しく弱く容易に劈開する。また、c軸方向に垂直(c面に平行)な方向で電気特性が高い。 The Bi 2 Te 3 compound that exhibits the greatest ability near room temperature has a large anisotropy in physical properties with a layered structure containing 2 and 3 atoms of Bi and Te, respectively, in the unit cell of the rhombohedral crystal. . In this structure, there are three pairs of Te atom layers overlapping in the c-axis direction of hexagonal crystal display, and this Te-Te atom bond is a van der Waals bond, so it is a covalent bond, an ionic bond or a mixed bond thereof. It is significantly weaker than the bond between other bonded atoms and easily cleaves. Also, the electrical characteristics are high in a direction perpendicular to the c-axis direction (parallel to the c-plane).
熱電材料の特性を表す性能指数Zは、次式で示すようにゼーベック係数Sの2乗と電気伝導率σの積を熱伝導率κで割ったもので表される。 The figure of merit Z representing the characteristics of the thermoelectric material is represented by the product of the square of the Seebeck coefficient S and the electrical conductivity σ divided by the thermal conductivity κ, as shown in the following equation.
Z=S2・σ/κ
したがって、性能指数Zを大きくするためには、S2・σ(ゼーベック係数Sの2乗と電気伝導率σの積)を大きくし、かつ熱伝導率κを小さくする必要がある。
Z = S 2 · σ / κ
Therefore, in order to increase the figure of merit Z, it is necessary to increase S 2 · σ (the product of the square of the Seebeck coefficient S and the electrical conductivity σ) and decrease the thermal conductivity κ.
一般によく使われるブリッジマン法などで一方向凝固させて作製した溶製材料は、単結晶材料ほどではないが、結晶の配向性が整っている。そのため、電気伝導率は高い。しかし、結晶粒径が非常に大きいため、フォノンの散乱による熱伝導率減少効果は小さく、熱伝導率は大きくなる。また、c面で劈開しやすいため材料強度が非常に低い。 The melted material produced by unidirectional solidification by the Bridgman method or the like that is generally used has a crystal orientation that is not as high as that of a single crystal material. Therefore, electrical conductivity is high. However, since the crystal grain size is very large, the effect of decreasing the thermal conductivity due to phonon scattering is small and the thermal conductivity is large. Moreover, since it is easy to cleave at c surface, material strength is very low.
一方、メカニカルアロイング法やガスアトマイズ法により熱電材料を微細化し、その微細結晶を一方向加圧焼結することで作製する焼結材料は、材料強度が優れ、かつ、加圧方向に対し垂直(直角)な方向にc面が揃うことが知られている(例えば、特許文献1参照)。 On the other hand, a sintered material produced by refining a thermoelectric material by mechanical alloying or gas atomization and unidirectionally pressing and sintering the fine crystal has excellent material strength and is perpendicular to the pressing direction ( It is known that c-planes are aligned in a (right angle) direction (see, for example, Patent Document 1).
また、この微細な粒子の粒界におけるフォノン散乱により熱伝導率を低減させることができる。単純に言えば、粒径が微細なほどフォノン散乱効果は大きく、それだけフォノン熱伝導率は減少する。結晶粒径を微細にする方法としてはこの他、ガスアトマイズ法や超急冷法等がある(例えば、特許文献2参照)。 Further, the thermal conductivity can be reduced by phonon scattering at the grain boundaries of the fine particles. Simply put, the finer the particle size, the greater the phonon scattering effect, and the smaller the phonon thermal conductivity. Other methods for reducing the crystal grain size include a gas atomizing method and a super rapid cooling method (see, for example, Patent Document 2).
さらに、これらの方法は、焼結材料の結晶配向性が、ブリッジマン法と比べ非常に低く、電気伝導率は低減するため、結果的に相殺され、性能指数が一方向凝固材を越えることはない。 Furthermore, these methods have a much lower crystal orientation of the sintered material than the Bridgman method, and the electrical conductivity is reduced, so that they are offset as a result and the figure of merit exceeds that of the unidirectional solidified material. Absent.
そこで、微細結晶焼結体の結晶配向性を向上する手段として、熱間塑性変形によるすえこみ鍛造や熱間押出成形によるものがある(例えば、特許文献3参照)。
しかしながら、上記特許文献1や特許文献2の微細粒子作製方法では、結晶の平均粒径が1〜30μm程度であり、フォノン散乱効果は十分ではなく、不純物が混入しやすい。
However, in the fine particle manufacturing methods of Patent Document 1 and
また、上記特許文献3の熱間塑性変形を行うと、結晶配向性は向上するが、その過程で数μmの粒径が数十μmまで粒成長をおこすため、フォノン散乱効果の低減により熱伝導率が増加し、結晶配向性を揃えても性能指数が低下してしまうという問題があった。
Further, when the hot plastic deformation described in
本発明の目的は、熱電材料を超微細化することで、熱伝導率低減効果を著しく向上させ、さらに熱間塑性変形の際にも結晶粒径を小さく保つことを可能とすることで、熱伝導率を低減したまま結晶配向性を向上させ、性能指数を向上させる熱電材料の作製方法を提供することにある。 The object of the present invention is to remarkably improve the thermal conductivity reduction effect by making the thermoelectric material ultrafine, and also to keep the crystal grain size small even during hot plastic deformation. An object of the present invention is to provide a method for producing a thermoelectric material that improves crystal orientation while reducing conductivity and improves a figure of merit.
上記従来の課題を解決するために、本発明の熱電材料の作製方法は、熱電材料の作製方法であって、前記熱電材料と高分子を同時に加熱することで気相混合しながら蒸着する同時蒸発法によって蒸着膜を作製する蒸着過程と、前記蒸着膜から前記高分子を除去することで前記熱電材料を回収する回収工程と、回収した前記熱電材料を焼結する焼結工程からなることを特徴とするものである。 In order to solve the above-mentioned conventional problems, the method for producing a thermoelectric material of the present invention is a method for producing a thermoelectric material, in which vapor deposition is performed while vapor-phase mixing is performed by simultaneously heating the thermoelectric material and a polymer. A vapor deposition process for producing a vapor deposition film by a method, a recovery process for recovering the thermoelectric material by removing the polymer from the vapor deposition film, and a sintering process for sintering the recovered thermoelectric material. It is what.
これによって、気相混合により、超微細な結晶粒径を有する熱電材料を作製することができる。また、前記熱電材料を焼結することで、フォノン散乱が大きくなり、フォノン熱伝導率が大きく低減するため、性能指数の向上を図ることができる。 Thus, a thermoelectric material having an ultrafine crystal grain size can be produced by gas phase mixing. Moreover, by sintering the thermoelectric material, phonon scattering is increased and phonon thermal conductivity is greatly reduced, so that the figure of merit can be improved.
さらに、高分子中に熱電材料が取り込まれるため、高分子を除去するまで、熱電材料が酸素に触れる機会が激減し、酸化による熱電材料の性能低下を防止するとともに不純物の混入が少なく、性能の変化も少ない。 Furthermore, since the thermoelectric material is taken into the polymer, the opportunity for the thermoelectric material to come into contact with oxygen is drastically reduced until the polymer is removed. There is little change.
また、本発明の熱電材料の作製方法は、前記熱電材料がシングルナノ粒子であることを特徴とするものである。 The method for producing a thermoelectric material of the present invention is characterized in that the thermoelectric material is a single nanoparticle.
すなわち、10nm以下のシングルナノ粒子では粒界面積は著しく大きくなり、熱伝導率も大きく低減するとともに、逆ホールペッチ効果により硬度が低下し、また粒界滑りによる変形が起こりやすくなり、加工性が向上する。 In other words, with single nanoparticles of 10 nm or less, the grain boundary area is remarkably increased, the thermal conductivity is greatly reduced, the hardness is lowered by the reverse Hall Petch effect, and deformation due to grain boundary sliding is likely to occur, thereby improving workability. To do.
これにより、超微細な熱電材料を作製することができ、熱伝導率が大きく減少し、熱電性能が向上した熱電材料の作製方法を提供することができる。 Thereby, an ultrafine thermoelectric material can be produced, and a method for producing a thermoelectric material with greatly reduced thermal conductivity and improved thermoelectric performance can be provided.
本発明の熱電材料の作製方法は、熱電材料と高分子を同時に加熱し気相混合して蒸着する同時蒸発法によって作製することにより、シングルナノレベルの超微細な粒径を有する熱電材料を作製でき、粒界散乱によるフォノン散乱効果を非常に有効に発揮し、熱伝導率を大きく低減させることができ、性能指数の向上を図ることができる。また、蒸着時に高分子膜内に取り込まれるため、酸素との接触を防止することができ、酸素と接触する時間を出来るだけ減少させることで、熱電材料の酸化を防ぐことができるとともに不純物の混入が少なく、性能の変化も少ない。 The method for producing a thermoelectric material of the present invention is a thermoelectric material having an ultrafine particle size of a single nano level by producing a thermoelectric material and a polymer by simultaneous evaporation method in which vapor deposition is performed by gas phase mixing and vapor deposition. The phonon scattering effect due to grain boundary scattering can be exhibited very effectively, the thermal conductivity can be greatly reduced, and the figure of merit can be improved. In addition, since it is taken into the polymer film during vapor deposition, contact with oxygen can be prevented, and by reducing the time for contact with oxygen as much as possible, oxidation of the thermoelectric material can be prevented and impurities can be mixed. There is little change in performance.
また、本発明の熱電材料の作製方法は、超微細な粒子のため、熱間塑性変形を行う際、粒成長により粒径が大きくなっても、十分粒径が小さく、配向性向上による電気伝導率の向上と、フォノン散乱による熱伝導率の低減効果で、性能指数は著しく向上する。 In addition, since the thermoelectric material manufacturing method of the present invention is an ultrafine particle, when performing hot plastic deformation, even if the particle size increases due to grain growth, the particle size is sufficiently small, and the electric conduction due to improved orientation is achieved. The figure of merit is remarkably improved by the improvement of the rate and the effect of reducing the thermal conductivity by phonon scattering.
請求項1に記載の発明は、熱電材料と高分子を同時に加熱することで気相混合しながら蒸着する同時蒸発法によって蒸着膜を作製する蒸着過程と、前記蒸着膜から前記高分子を除去することで前記熱電材料を回収する回収工程と、回収した前記熱電材料を焼結する焼結工程からなる熱電材料の作製方法である。 The invention according to claim 1 is a vapor deposition process in which a vapor deposition film is formed by simultaneous evaporation method in which a thermoelectric material and a polymer are heated at the same time to perform vapor phase mixing, and the polymer is removed from the vapor deposition film. This is a method for producing a thermoelectric material comprising a recovery step of recovering the thermoelectric material and a sintering step of sintering the recovered thermoelectric material.
かかる方法により、気相混合により、他の作製方法では得るのが困難な1μm未満の超微細な結晶粒径を有する熱電材料を作製することができる。前記熱電材料を焼結することで、フォノン散乱が大きく、フォノン熱伝導率が大きく低減するため、性能指数の向上を図ることができる。 By this method, a thermoelectric material having an ultrafine crystal grain size of less than 1 μm, which is difficult to obtain by other production methods, can be produced by gas phase mixing. By sintering the thermoelectric material, phonon scattering is large and phonon thermal conductivity is greatly reduced, so that the figure of merit can be improved.
さらに、かかる方法によれば、高分子中に熱電材料が取り込まれるため、高分子を除去するまで、熱電材料が酸素に触れる機会が激減し、酸化による熱電材料の性能低下を防止するとともに不純物の混入が少なく、性能の変化も少ない。 Further, according to such a method, since the thermoelectric material is taken into the polymer, the opportunity for the thermoelectric material to contact oxygen is drastically reduced until the polymer is removed. Little contamination and little change in performance.
また、蒸着工程は真空もしくは不活性ガス、希ガス中で行うのが好ましく、さらに、熱電材料の回収工程は、真空もしくは不活性ガス、希ガス中で行うのが好ましい。 Further, the vapor deposition step is preferably performed in a vacuum, an inert gas, or a rare gas, and the thermoelectric material recovery step is preferably performed in a vacuum, an inert gas, or a rare gas.
また、焼結工程はホットプレス法、冷間プレス法、SPS焼結法、HIP法、CIP法等特に限定するものではなく、また、焼結工程を複数行っても良い。 The sintering process is not particularly limited, such as a hot pressing method, a cold pressing method, an SPS sintering method, an HIP method, and a CIP method, and a plurality of sintering steps may be performed.
請求項2記載の発明は、前記回収工程にて回収された前記熱電材料を、シングルナノ粒子としたものである。
The invention according to
かかることにより、10nm以下のシングルナノ粒子では粒界面積は著しく大きくなり、熱伝導率も大きく低減するとともに、逆ホールペッチ効果により硬度が低下し、また粒界滑りによる変形が起こりやすくなり、加工性が向上する。 As a result, in single nanoparticles of 10 nm or less, the grain interfacial area is remarkably increased, the thermal conductivity is greatly reduced, the hardness is lowered due to the reverse Hall Petch effect, and deformation due to grain boundary sliding is likely to occur. Will improve.
請求項3記載の発明は、前記高分子を熱可塑性高分子としたもので、熱可塑性高分子は、蒸着しやすくかつ溶剤に溶けやすいため、工程の簡素化が図れる。
The invention according to
さらに、前記高分子の種類は特に限定するものではないが、分子量が低く、単純な構造の高分子の方が蒸着させやすく、例えばポリビニルアルコールなどが適している。 Furthermore, the type of the polymer is not particularly limited, but a polymer having a lower molecular weight and a simple structure is easier to deposit, and for example, polyvinyl alcohol is suitable.
請求項4記載の発明は、前記回収工程において、前記高分子を溶剤で溶解することにより前記高分子を除去するものである。 According to a fourth aspect of the present invention, in the recovery step, the polymer is removed by dissolving the polymer with a solvent.
かかることにより、溶解後良く洗浄することで、高分子を高精度に除去できるため、焼結時に高分子が溶着するといった熱電材料の性能低下への影響を排除することができる。 In this way, since the polymer can be removed with high precision by washing well after dissolution, it is possible to eliminate the influence on the performance degradation of the thermoelectric material such that the polymer is deposited during sintering.
溶剤の種類は特に限定しないが、熱電材料に影響を及ぼさず、かつ、高分子を速やかに溶解するものが好ましい。 The type of the solvent is not particularly limited, but a solvent that does not affect the thermoelectric material and dissolves the polymer quickly is preferable.
請求項5記載の発明は、ビスマス、アンチモン、テルル、セレンからなる群から少なくとも二つ以上を含有する熱電材料を用いた熱電材料の作製方法とすることにより、室温付近において熱電材料の性能を最大限に向上させることが可能となり、冷却効率の優れた熱電材料を提供することができる。
The invention according to
請求項6記載の発明は、前記焼結工程において、少なくとも前記熱電材料を熱間塑性変形させる変形工程を含むものとしたもので、Bi2Te3系の熱電材料は異方性があり、外部からの変形工程により、結晶配向性が向上し、熱電性能の向上が図れる。
The invention according to
請求項7記載の発明は、前記熱間塑性変形を熱間圧延加工で行うもので、圧延加工により結晶が圧延方向に延伸され、結晶が配向することで熱電性能が向上する。 According to the seventh aspect of the invention, the hot plastic deformation is performed by hot rolling, and the crystal is stretched in the rolling direction by the rolling and the crystal is oriented to improve the thermoelectric performance.
請求項8記載の発明は、前記熱間塑性変形を熱間押出加工で行うもので、押出加工により押出方向と平行な方向に結晶配向性が向上し、熱電性能が向上する。
In the invention according to
請求項9記載の発明は、前記熱間塑性変形をECAE加工で行うもので、前記熱間塑性変形を、ECAE(Equal−Channel Angular Extrusion)加工とすることにより、強力な剪断応力により、結晶の微細化が起こるため、熱間加工による粒成長の影響を抑制し、高性能な熱電材料を提供することができる。 The invention according to claim 9 is the one in which the hot plastic deformation is performed by ECAE processing, and the hot plastic deformation is ECAE (Equal-Channel Angular Extraction) processing, whereby a strong shear stress is applied to the crystal. Since miniaturization occurs, the influence of grain growth due to hot working can be suppressed, and a high-performance thermoelectric material can be provided.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における同時蒸着法の模式図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram of a co-evaporation method according to Embodiment 1 of the present invention.
図1において、チャンバー1内に熱電材料2と高分子3がそれぞれ別の容器2a・3aに入れられて設置されている。チャンバー1内は、希ガス4で置換され、かつ、減圧雰囲気に調整されている。各容器2a・3aには、加熱用のヒーター5がそれぞれ設けられており、このヒーター5によって熱電材料2と高分子3を加熱することにより、両者は気化し、気相状態でそれぞれ混合し、チャンバー1内において蒸着膜6を形成する。
In FIG. 1, a
図2は、本発明の実施の形態1における蒸着膜の模式図である。 FIG. 2 is a schematic diagram of the deposited film in the first embodiment of the present invention.
図2において、蒸着膜6は、高分子蒸着膜7中に、熱電材料微粒子8が分散されている状態にある。熱電材料微粒子8は、気相中で混合されたため、非常に微細なシングルナノサイズの粒子を形成する。
In FIG. 2, the
図3は、本発明の実施の形態1における熱電材料微粒子の回収工程を示す模式図である。 FIG. 3 is a schematic diagram showing a thermoelectric material microparticle recovery step in Embodiment 1 of the present invention.
図3において、同図(a)の如く蒸着膜6を容器9に満たした溶剤10に浸すことにより、高分子蒸着膜7だけを溶解する。その結果、同図(b)の如く熱電材料微粒子8を分離・回収することができる。
In FIG. 3, only the polymer
これらの工程は、希ガス雰囲気など酸素がない状態で行い、そして、回収した熱電材料微粒子8は良く乾燥させる。
These steps are performed in the absence of oxygen such as a rare gas atmosphere, and the recovered thermoelectric
図4は、本発明の実施の形態1における放電プラズマ焼結による焼結工程を示す模式図である。 FIG. 4 is a schematic diagram showing a sintering process by spark plasma sintering in Embodiment 1 of the present invention.
図4において、パルス通電加圧焼結装置(放電プラズマ焼結装置)11は、上下一対であり、それぞれに電極12と加圧セル16を有する。上述の回収工程にて回収した熱電材料微粒子8を、ダイス14内に設けられた空間17に封入し、上下にパンチ13を設ける。加圧セル16は、上下移動可能で、熱電材料微粒子8を充填後、加圧セル16を図中矢印A・Bで示すように相対する方向(上下方向)に移動させ、熱電材料微粒子8を所定圧力で一軸方向(図示上下方向)に加圧しながら、電極12にパルス電流15を通電する。その結果、熱電材料微粒子8にもパルス電流が流れる。このように熱電材料微粒子8にもパルス電流15を流すことで、熱電材料微粒子8の内部にジュール熱を発生させ、そのジュール熱の発生により熱電材料微粒子8内から発熱させる。
In FIG. 4, a pulse energization pressure sintering apparatus (discharge plasma sintering apparatus) 11 is a pair of upper and lower sides, each having an electrode 12 and a pressure cell 16. The thermoelectric
そして、熱電材料微粒子8の温度が所定温度に到達した後、所定時間、温度を保持し、熱電材料を焼結する。
Then, after the temperature of the thermoelectric
以上により作製された熱電材料(焼結体)は、熱伝導率を低減させ、熱電性能を向上させることができる。 The thermoelectric material (sintered body) produced as described above can reduce thermal conductivity and improve thermoelectric performance.
熱電材料および高分子の種類を変え、上述の方法にて作製した熱電材料焼結体の性能評価結果を実施例1から実施例3に示す。比較例1と比較例2としてメカニカルアロイング法で作製した熱電材料をパルス通電加圧焼結法で作製したものを用いた。 Example 1 to Example 3 show the performance evaluation results of the thermoelectric material sintered bodies produced by the above-described methods by changing the types of the thermoelectric material and polymer. As Comparative Example 1 and Comparative Example 2, a thermoelectric material produced by a mechanical alloying method and produced by a pulse current pressure sintering method was used.
熱電材料として(Bi2Te3)20(Sb2Te3)80を用い、ポリビニルアルコールと同時蒸着法で超微細粒子を含んだ蒸着膜6を作製し、アセトンでポリビニルアルコールを除去した。このとき結晶粒径は約5〜10nmであった。そして、673K、50MPa、10分間のパルス通電加圧焼結法で作製した焼結体の熱電性能を測ったところ、ゼーベック係数が2.2×10−4[V/K]、電気伝導率が5.7×104[1/Ω・m]、熱伝導率が0.87[W/m・K]、性能指数は3.17×10−3[1/K]であった。
Using (Bi 2 Te 3 ) 20 (Sb 2 Te 3 ) 80 as a thermoelectric material, a
このことは、フォノン散乱により熱伝導率が低減したと考えられる。 This is considered that the thermal conductivity was reduced by phonon scattering.
熱電材料として(Bi2Te3)25(Sb2Te3)75を用い、ポリスチレンと同時蒸着法で超微細粒子を含んだ蒸着膜6を作製し、トルエンでポリスチレンを除去した。このとき結晶粒径は約8〜15nmであった。そして、673K、50MPa、10分間パルス通電加圧焼結法で作製した焼結体の熱電性能を測ったところゼーベック係数が2.1×10−4[V/K]、電気伝導率が5.5×104[1/Ω・m]、熱伝導率が0.83[W/m・K]、性能指数は2.92×10−3[1/K]であった。
Using (Bi 2 Te 3 ) 25 (Sb 2 Te 3 ) 75 as a thermoelectric material, a
このことは、フォノン散乱により熱伝導率が低減したと考えられる。 This is considered that the thermal conductivity was reduced by phonon scattering.
熱電材料として(Bi2Te3)90(Bi2Se3)10を用い、ポリビニルアルコールと同時蒸着法で超微細粒子を含んだ蒸着膜6を作製し、アセトンでポリビニルアルコールを除去した。このとき結晶粒径は約4〜10nmであった。そして、673K、50MPa、10分間パルス通電加圧焼結法で作製した焼結体の熱電性能を測ったところゼーベック係数が−2.3×10−4[V/K]、電気伝導率が3.5×104[1/Ω・m]、熱伝導率が0.89[W/m・K]、性能指数は2.08×10−3[1/K]であった。
Using (Bi 2 Te 3 ) 90 (Bi 2 Se 3 ) 10 as a thermoelectric material, a
このことは、フォノン散乱により熱伝導率が低減したと考えられる。 This is considered that the thermal conductivity was reduced by phonon scattering.
(実施の形態2)
図5は、本発明の実施の形態2における熱間圧延加工の模式図である。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a schematic diagram of hot rolling in
図5において、本実施の形態2における熱間圧延加工は、ダイス18とパンチ19と熱電材料8の圧粉体20を用い、圧延体21を得る加工である。図5の(a)は熱間圧延加工前の状態を、同図(b)は熱間圧延加工後の状態を表している。
In FIG. 5, the hot rolling process in the second embodiment is a process for obtaining a rolled
以上のように構成された熱間圧延加工について、以下その動作を説明する。 About the hot rolling process comprised as mentioned above, the operation | movement is demonstrated below.
まず、ダイス18中にパンチ19で上下を挟む形で、実施の形態1に示す方法により得た熱電材料微粒子8を入れ、パンチ19を加圧することで圧粉体20を作製、設置する。
First, the thermoelectric
そして、昇温装置(図示せず)にて昇温後、パンチ19を上下方向から加圧する事で、圧粉体20は加圧方向と直角方向に圧延され、その結果、圧延体21が得られる。
Then, after raising the temperature with a temperature raising device (not shown), the green compact 20 is rolled in a direction perpendicular to the pressing direction by pressing the
以上により作製された熱電材料(圧延体21)は、熱伝導率を低減させるとともに、結晶配向性が向上し、熱電性能を向上させることができる。 The thermoelectric material (rolled body 21) produced as described above can reduce the thermal conductivity, improve the crystal orientation, and improve the thermoelectric performance.
上述の熱間圧延加工で作製した熱電材料焼結体の性能評価結果を実施例4に示す。 Example 4 shows the performance evaluation results of the thermoelectric material sintered body produced by the hot rolling process described above.
熱電材料として(Bi2Te3)20(Sb2Te3)80を用い、ポリビニルアルコールと同時蒸着法で超微細粒子を含んだ蒸着膜6を作製し、アセトンでポリビニルアルコールを除去した。このとき結晶粒径は約5〜10nmであった。673Kで加熱し、熱間圧延加工で作製した焼結体の熱電性能を測ったところゼーベック係数が1.9×10−4[V/K]、電気伝導率が8.6×104[1/Ω・m]、熱伝導率が0.93[W/m・K]、性能指数は3.34×10−3[1/K]であった。
Using (Bi 2 Te 3 ) 20 (Sb 2 Te 3 ) 80 as a thermoelectric material, a
このことは、フォノン散乱により熱伝導率が低減したとともに配向性が向上したと考えられる。 This is considered that the thermal conductivity was reduced by phonon scattering and the orientation was improved.
(実施の形態3)
図6は、本発明の実施の形態3における熱間押出加工の模式図である。
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a schematic diagram of hot extrusion processing in
図6において、本実施の形態3における熱間圧延加工は、内部に熱電材料微粒子8の圧粉体24を充填する空間23を備え、底面に空間23より小径の開口部26を設けた金型22と、空間23内の熱電材料微粒子8を加圧するパンチ25を用いて行われ、開口部26より押出成型品27を得る加工である。
In FIG. 6, the hot rolling process according to the third embodiment includes a die 23 having a
図6の(a)は熱間押出加工前の状態を、(b)は熱間押出加工後の状態を表している。 6A shows a state before hot extrusion, and FIG. 6B shows a state after hot extrusion.
次に、上記図6における熱間押出加工動作について説明する。 Next, the hot extrusion processing operation in FIG. 6 will be described.
まず、予め圧粉装置(図示せず)にて熱電材料微粒子8を粉砕・圧縮し、圧粉体24を形成する。そして、金型22の空間23内に、圧粉体24を充填・設置する。
First, the thermoelectric
そして、昇温装置(図示せず)にて圧粉体24を加熱昇温し、その後、パンチ25を図中下方向へ加圧する。
Then, the green compact 24 is heated and heated by a temperature raising device (not shown), and then the
その結果、圧粉体24は、金型22内の空間23で加圧され、金型22下部の開口部26より押出成形品27として排出される。
As a result, the green compact 24 is pressurized in the
以上のようにして作製された熱電材料(押出成形品27)は、熱伝導率を低減させるとともに、結晶配向性が向上し、熱電性能を向上させることができる。 The thermoelectric material (extruded product 27) produced as described above can reduce thermal conductivity, improve crystal orientation, and improve thermoelectric performance.
上記熱間押出加工で作製した熱電材料焼結体(押出成形品27)の性能評価結果を実施例5に示す。 Example 5 shows the performance evaluation results of the thermoelectric material sintered body (extruded product 27) produced by the hot extrusion process.
熱電材料として(Bi2Te3)20(Sb2Te3)80を用い、ポリビニルアルコールと同時蒸着法で超微細粒子を含んだ蒸着膜を作製し、アセトンでポリビニルアルコールを除去した。このとき結晶粒径は約5〜10nmであった。673Kで加熱し、熱間押出加工で作製した焼結体の熱電性能を測ったところゼーベック係数が1.9×10−4[V/K]、電気伝導率が9.3×104[1/Ω・m]、熱伝導率が0.98[W/m・K]、性能指数は3.43×10−3[1/K]であった。 Using (Bi 2 Te 3 ) 20 (Sb 2 Te 3 ) 80 as a thermoelectric material, a vapor deposition film containing ultrafine particles was prepared by simultaneous vapor deposition with polyvinyl alcohol, and the polyvinyl alcohol was removed with acetone. At this time, the crystal grain size was about 5 to 10 nm. When the thermoelectric performance of the sintered body produced by hot extrusion was measured by heating at 673 K, the Seebeck coefficient was 1.9 × 10 −4 [V / K], and the electrical conductivity was 9.3 × 10 4 [1. / Ω · m], the thermal conductivity was 0.98 [W / m · K], and the figure of merit was 3.43 × 10 −3 [1 / K].
このことは、フォノン散乱により熱伝導率が低減したとともに配向性が向上したと考えられる。 This is considered that the thermal conductivity was reduced by phonon scattering and the orientation was improved.
(実施の形態4)
図7は、本発明の実施の形態4におけるECAE(Equal−Channel Angular Extrusion)と称される加工(以下、ECAE加工と称す)の模式図である。
(Embodiment 4)
FIG. 7 is a schematic diagram of a process called ECAE (Equal-Channel Angular Extension) (hereinafter referred to as ECAE process) in Embodiment 4 of the present invention.
図7において、本実施の形態4におけるECAE加工は、両端に入り口29a側と出口29bを有し、入り口29aと出口29bの方向が角度θ異なるように形成された空間29を内部に有する金型28と、空間29内に充填された熱電材料微粒子8の圧粉体30を加圧するパンチ31を用いて行われ、出口29bより加圧された圧粉体30を得る加工である。
In FIG. 7, the ECAE processing in the fourth embodiment is a mold having an
次に、上記図7におけるECAE加工動作について説明する。 Next, the ECAE processing operation in FIG. 7 will be described.
まず、予め予め圧粉装置(図示せず)にて熱電材料微粒子8を粉砕・圧縮し、圧粉体24を形成する。そして、金型28の空間29内に、圧粉体30を充填・設置する。
First, the thermoelectric
そして、昇温装置(図示せず)にて圧粉体30を加熱昇温し、その後、パンチ31を図中下方向へ加圧する。
Then, the green compact 30 is heated and heated by a temperature raising device (not shown), and then the
その結果、圧粉体30は、金型28内の空間29で加圧され、金型28の出口29bより斜め下方向に押し出される。この押し出される際に、圧粉体30には非常に大きな剪断応力がかかり、それにより圧粉体30は微細化されたまま押し出される。ここで、出口29b側の穴径を入り口29a側の穴径より小さくすることでさらに配向性は向上する。
As a result, the green compact 30 is pressurized in the
以上のようにして作製された熱電材料(出口29bから排出された圧粉体30)は、熱伝導率を低減させるとともに、結晶配向性が向上し、熱電性能をさらに向上させることができる。
The thermoelectric material (the green compact 30 discharged from the
上記熱間押出加工で作製した熱電材料焼結体(出口29bから排出された圧粉体30)の性能評価結果を実施例6に示す。
Example 6 shows the performance evaluation results of the thermoelectric material sintered body (the green compact 30 discharged from the
熱電材料として(Bi2Te3)20(Sb2Te3)80を用い、ポリビニルアルコールと同時蒸着法で超微細粒子を含んだ蒸着膜を作製し、アセトンでポリビニルアルコールを除去した。このとき結晶粒径は約5〜10nmであった。673Kで加熱し、ECAE加工で作製した焼結体の熱電性能を測ったところゼーベック係数が1.9×10−4[V/K]、電気伝導率が9.0×104[1/Ω・m]、熱伝導率が0.91[W/m・K]、性能指数は3.57×10−3[1/K]であった。 Using (Bi 2 Te 3 ) 20 (Sb 2 Te 3 ) 80 as a thermoelectric material, a vapor deposition film containing ultrafine particles was prepared by simultaneous vapor deposition with polyvinyl alcohol, and the polyvinyl alcohol was removed with acetone. At this time, the crystal grain size was about 5 to 10 nm. When the thermoelectric performance of the sintered body produced by ECAE processing was measured by heating at 673 K, the Seebeck coefficient was 1.9 × 10 −4 [V / K], and the electrical conductivity was 9.0 × 10 4 [1 / Ω. M], thermal conductivity was 0.91 [W / m · K], and the figure of merit was 3.57 × 10 −3 [1 / K].
このことは、フォノン散乱により熱伝導率が低減したとともに配向性が向上したと考えられる。 This is considered that the thermal conductivity was reduced by phonon scattering and the orientation was improved.
次に本発明の気体吸着材および断熱体に対する比較例を示す。評価方法は上記各実施例に準じた方法である。 Next, the comparative example with respect to the gas adsorbent of this invention and a heat insulating body is shown. The evaluation method is a method according to each of the above examples.
(比較例1)
熱電材料として(Bi2Te3)20(Sb2Te3)80を用い、メカニカルアロイング法で焼結体を作製した。このとき結晶粒径は約2〜30μmであった。
(Comparative Example 1)
A sintered body was produced by a mechanical alloying method using (Bi 2 Te 3 ) 20 (Sb 2 Te 3 ) 80 as a thermoelectric material. At this time, the crystal grain size was about 2 to 30 μm.
そして、673K、50MPa、10分間のパルス通電加圧焼結法で作製した焼結体の熱電性能を測ったところ、ゼーベック係数が2.2×10−4[V/K]、電気伝導率が5.9×104[1/Ω・m]、熱伝導率が1.01[W/m・K]、性能指数は2.83×10−3[1/K]であった。 And when the thermoelectric performance of the sintered compact produced by 673K, 50MPa, and the pulse-current pressurization sintering method for 10 minutes was measured, Seebeck coefficient was 2.2 * 10 < -4 > [V / K], and electrical conductivity was. The thermal conductivity was 5.9 × 10 4 [1 / Ω · m], the thermal conductivity was 1.01 [W / m · K], and the figure of merit was 2.83 × 10 −3 [1 / K].
(比較例2)
熱電材料として(Bi2Te3)90(Bi2Se3)10を用い、メカニカルアロイング法で焼結体を作製した。このとき結晶粒径は約2〜28μmであった。
(Comparative Example 2)
A sintered body was produced by a mechanical alloying method using (Bi 2 Te 3 ) 90 (Bi 2 Se 3 ) 10 as a thermoelectric material. At this time, the crystal grain size was about 2 to 28 μm.
そして、673K、50MPa、10分間のパルス通電加圧焼結法で作製した焼結体の熱電性能を測ったところゼーベック係数が−2.1×10−4[V/K]、電気伝導率が3.4×104[1/Ω・m]、熱伝導率が1.09[W/m・K]、性能指数は1.38×10−3[1/K]であった。
Then, 673 K, 50 MPa, the Seebeck coefficient was measured the thermoelectric performance of the sintered body produced by the pulse current
以上のように、本発明にかかる熱電材料の作製方法は、超微細なシングルナノサイズの粒径を有する熱電材料を作製することにより、熱伝導率の低減を図ることができ、優れた熱電性能を有する熱電材料を作製可能なものであり、冷凍冷蔵庫および冷凍機器や、センサー素子や光素子、LSI基板などの半導体回路、レーザダイオード等の精密温度制御などのあらゆる冷却用途や、熱電発電に適用できる。 As described above, the method for producing a thermoelectric material according to the present invention can reduce thermal conductivity by producing a thermoelectric material having an ultrafine single nano-size particle size, and has excellent thermoelectric performance. Thermoelectric materials can be manufactured, and can be applied to freezing refrigerators and refrigeration equipment, sensor devices, optical devices, semiconductor circuits such as LSI substrates, precision temperature control such as laser diodes, and thermoelectric power generation it can.
1 チャンバー
2 熱電材料
3 高分子
4 希ガス
5 ヒーター
6 蒸着膜
7 高分子蒸着膜
8 熱電材料微粒子
9 容器
10 溶剤
11 放電プラズマ焼結装置
12 電極
13 パンチ
14 ダイス
15 パルス電流
16 加圧セル
17 空間
18 ダイス
19 パンチ
20 圧粉体
21 圧延体
22 金型
23 空間
24 圧粉体
25 パンチ
26 開口部
27 押出成型品
28 金型
29 空間
30 圧粉体
31 パンチ
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