JP2006269871A - Method of manufacturing thermoelectric material - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing method employing a liquid quenching method which can acquire an N-type Bi<SB>2</SB>Te<SB>3</SB>-based thermoelectric material having an excellent performance index. <P>SOLUTION: The method of manufacturing a thermoelectric material is provided with a thin-piece powder forming process of supplying a molten metal containing Bi and Te onto a rotating roll to form the metal into a thin-piece powder by the liquid quenching method; a preparatory molding process of pressing a dice in which the thin-piece powder is filled so that a surface (c) may be aligned substantially in parallel in a height direction in at least the center of a widthwise direction, in the axial direction same as the height direction of the dice at a temperature lower than the baking temperature of the thermoelectric material, to preparatorily mold the powder in multiple steps; and a hotpress process for applying hotpress to the preparatorily molded thin-piece powder while pressing the powder in the axial direction same as the pressing direction in the preparatory molding process. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は温度制御素子である熱電材料の製造方法に関し、特にN型のBi2Te3系熱電材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric material that is a temperature control element, and more particularly to a method for manufacturing an N-type Bi 2 Te 3 -based thermoelectric material.

通電により表面に温度差を生じる、あるいは表面の温度差により起電力を生じるペルチェモジュールに使用される熱電材料の1つとしてBi2Te3系の熱電材料がある。 There is a Bi 2 Te 3 series thermoelectric material as one of the thermoelectric materials used in a Peltier module that generates a temperature difference on the surface by energization or generates an electromotive force due to the temperature difference of the surface.

この熱電材料の製造方法としては、各元素を溶融した溶湯を撹拌し、それを凝固させる溶製法と、原料のインゴットを粉砕して固体粉末を作成し、得られた固体粉末を整粒した後で焼結する焼結法がある。後者の焼結法により製造される材料は溶製法と比べて強度は高いものの、製造時に酸素に触れることにより酸化や酸素の固溶を起こし、熱電特性が低下しやすい。   As a manufacturing method of this thermoelectric material, a molten metal in which each element is melted is stirred, a solidification method is performed, a solid powder is prepared by pulverizing a raw ingot, and the obtained solid powder is sized. There is a sintering method to sinter. Although the material produced by the latter sintering method has higher strength than the melting method, contact with oxygen at the time of production causes oxidation or solid solution of oxygen, and the thermoelectric characteristics are likely to be deteriorated.

このため、原料であるインゴットを不活性ガス雰囲気中で溶融し、溶湯を回転ロール上に供給して急冷凝固を行う液体急冷法により薄片状粉末とする粉末形成工程と、この薄片状粉末をダイスを用いて固化成形し、焼結するホットプレス工程とからなる製造方法が提案されている(例えば、特許文献1)。   For this reason, a powder forming step of melting the ingot as a raw material in an inert gas atmosphere and supplying the molten metal on a rotating roll to perform rapid solidification to form a flaky powder; Has been proposed (for example, Patent Document 1), which includes a hot press step of solidifying and sintering using sinter.

また、焼結法による熱電材料は性能指数を高めるため結晶の高い配向性が要求される。このため、上記ホットプレス工程では押圧方向と垂直の方向に結晶方位(a軸)を成長させ、c面の配向を上昇させてこの方向に電流を流すように電極を接合して熱電素子を形成したり、さらに押出し成形工程により配向を高めるようにしている。
特開2003−163385号公報
In addition, thermoelectric materials produced by the sintering method are required to have high crystal orientation in order to increase the figure of merit. Therefore, in the hot pressing process, the crystal orientation (a-axis) is grown in the direction perpendicular to the pressing direction, the c-plane orientation is increased, and the electrodes are joined so that current flows in this direction to form a thermoelectric element. In addition, the orientation is enhanced by an extrusion process.
JP 2003-163385 A

ところで、一般にP型の熱電素子とN型の熱電素子とを比較した場合、材料の特性上、N型の方が性能指数が低くなりやすい。この理由の1つはP型及びN型の各熱電材料中の酸素濃度が性能指数に与える影響が異なり、酸素濃度を同じように管理したとしても、N型の熱電材料の方が含有酸素に対して敏感なことに起因する。本発明者らの検討によれば、P型の熱電材料では酸素濃度が200ppmを超えても性能指数が低下しなかったが、N型の熱電材料では酸素濃度が100ppmを超えると極端に性能指数が低下することが確認された。このため、P型の熱電材料と同様の方法で作成したN型の熱電材料とを組み合わせて使用するとモジュールの性能が低下するという問題がある。   By the way, in general, when comparing a P-type thermoelectric element and an N-type thermoelectric element, the N-type tends to have a lower figure of merit due to the characteristics of the material. One of the reasons for this is that the oxygen concentration in the P-type and N-type thermoelectric materials has different effects on the figure of merit, and even if the oxygen concentration is controlled in the same way, the N-type thermoelectric material will contain more oxygen. This is because of the sensitivity. According to the study by the present inventors, the performance index did not decrease even when the oxygen concentration exceeded 200 ppm in the P-type thermoelectric material, but the performance index extremely decreased when the oxygen concentration exceeded 100 ppm in the N-type thermoelectric material. Was confirmed to decrease. For this reason, there exists a problem that the performance of a module will fall when it uses in combination with the N type thermoelectric material produced by the method similar to a P type thermoelectric material.

上記の液体急冷法により得られる薄片状粉末は各粉末が配向した多結晶で形成されており、外部の雰囲気に触れない結晶粒界が存在するため結晶粒界の界面に付着しやすい酸素を低減することができ、焼結固化された酸素を低減できるため好ましいが、N型のBi2Te3系熱電材料ではP型の熱電材料に比べて性能指数の低下が大きかったことから、薄片状粉末形成工程からホットプレス工程に粉末を移動させる際の酸化によっても性能が影響され易いことが考えられた。この場合、液体急冷法による薄片状粉末形成工程とホットプレス工程を同一の装置内で行なうことも考えられるが、各工程の装置構造上連続工程とすることが難しく、また同時に各工程を行なうことができないためコスト高にもなる。 The flaky powder obtained by the above liquid quenching method is formed of polycrystals in which each powder is oriented, and since there are crystal grain boundaries that do not touch the external atmosphere, oxygen that tends to adhere to the interface of the crystal grain boundaries is reduced. The N-type Bi 2 Te 3 thermoelectric material has a larger performance index drop than the P-type thermoelectric material. It was considered that the performance is likely to be affected by oxidation when the powder is moved from the forming process to the hot pressing process. In this case, it is conceivable to perform the flaky powder forming process by the liquid quenching method and the hot pressing process in the same apparatus, but it is difficult to make the continuous process due to the apparatus structure of each process, and each process is performed simultaneously. Can not be expensive.

本発明は上記課題を解決することを目的とするものであり、液体急冷法を用いた熱電材料の製造方法において、性能指数に優れたN型のBi2Te3系熱電材料が得られる製造方法を提供するものである。 The present invention aims to solve the above-mentioned problems, and in a method for producing a thermoelectric material using a liquid quenching method, an N-type Bi 2 Te 3 thermoelectric material having an excellent figure of merit is obtained. Is to provide.

本発明の請求項1記載の発明は、Bi及びTeを含有する溶湯を回転ロール上に供給して液体急冷法により薄片状粉末に形成する薄片状粉末形成工程と、少なくともダイスの幅方向中央部ではc面が高さ方向に略平行に並ぶように前記薄片状粉末が充填されたダイスを、前記熱電材料の焼結温度未満で前記ダイスの高さ方向と同軸方向に押圧して多段階で予備成形する予備成形工程と、前記予備成形された薄片状粉末を前記予備成形工程における押圧方向と同軸方向から押圧しながらホットプレス処理するホットプレス工程とを備えるN型のBi2Te3系熱電材料の製造方法である。 The invention according to claim 1 of the present invention includes a flaky powder forming step of supplying a molten metal containing Bi and Te onto a rotating roll to form a flaky powder by a liquid quenching method, and at least a central portion in the width direction of the die. Then, the die filled with the flaky powder is pressed in the coaxial direction with the die height direction at a temperature lower than the sintering temperature of the thermoelectric material so that the c-plane is arranged substantially parallel to the height direction in multiple stages. An N-type Bi 2 Te 3 thermoelectric device comprising a preforming step for preforming and a hot pressing step for pressing the preformed flaky powder from the same direction as the pressing direction in the preforming step. It is a manufacturing method of material.

上記の予備成形工程を薄片状粉末形成工程とホットプレス工程との間に設けることにより、ダイスに充填される粉末の間隔を密にして外気、特に酸素の浸透を抑制し、ホットプレス工程で成形する際に焼結する粉末間に存在する酸素量を極めて低減することが可能となる。すなわち、回転ロールを用いた液体急冷法により形成した薄片状粉末は複数の単結晶が集まった多結晶からなる厚みの薄い扁平形状の粉末であり、前記単結晶中ではc面が粉末の厚み方向に平行で並んだ状態となっている。このため、ダイスへ薄片状粉末を充填する際、少なくともダイスの幅方向中央部では薄片状粉末が粉末の厚み方向に重なり、c面がダイスの高さ方向に略平行に並ぶように充填し、このダイスを高さ方向と同軸方向に押圧することにより、c面の方向性を維持しつつ、ダイス内の粉末の充填も高密度となり、高配向で、薄片状粉末形成工程で得られる充填状態よりも粉末間の酸素量が低減された状態とすることができる。また、予備成形工程によって得られた高充填の粉末をホットプレス工程で予備成形工程における押圧方向と同軸方向で押圧することにより、予備成形工程の密な充填状態を維持しつつ成形を行うことができるため、結晶が酸素に接触する状態が低減されたまま熱電材料の成形体を得ることが可能となる。そして、本発明では予備成形工程において薄片状粉末を複数段階に分けて充填し多段階で押圧することにより、粉末間の充填を密にするとともに、配向もさらに高めることができる。   By providing the preforming step between the flaky powder forming step and the hot pressing step, the powder filled in the die is closely spaced to suppress the penetration of outside air, especially oxygen, and the hot pressing step is performed. In doing so, the amount of oxygen present between the powders to be sintered can be greatly reduced. That is, the flaky powder formed by a liquid quenching method using a rotating roll is a thin flat powder having a polycrystal composed of a plurality of single crystals, and the c-plane is the thickness direction of the powder in the single crystal. It is in a state of being lined up in parallel. For this reason, when the flaky powder is filled into the die, the flaky powder is overlapped in the thickness direction of the powder at least in the central portion in the width direction of the die, and the c-plane is filled in substantially parallel to the height direction of the die, By pressing this die in the height direction and the coaxial direction, the filling of the powder in the die becomes high density while maintaining the directionality of the c-plane, and the filling state obtained in the flaky powder forming process with high orientation As a result, the amount of oxygen between the powders can be reduced. In addition, by pressing the highly filled powder obtained in the preforming process in the hot press process in the same direction as the pressing direction in the preforming process, molding can be performed while maintaining the dense filling state in the preforming process. Therefore, it is possible to obtain a molded body of the thermoelectric material while the state in which the crystals are in contact with oxygen is reduced. In the present invention, the flaky powder is filled in a plurality of stages and pressed in multiple stages in the preforming step, whereby the filling between the powders can be made dense and the orientation can be further enhanced.

また本発明の請求項2記載の発明は上記請求項1記載の発明において、前記予備成形工程における各段階の圧力を10MPa以上、50MPa以下で行なうものである。   The invention according to claim 2 of the present invention is the invention according to claim 1, wherein the pressure in each stage in the preforming step is 10 MPa or more and 50 MPa or less.

いずれの段階もこの範囲の圧力で予備成形することにより薄片状粉末の充填密度及び配向をさらに高めて、性能指数を向上することができる。   In any stage, preforming at a pressure in this range can further increase the packing density and orientation of the flaky powder and improve the figure of merit.

また本発明の請求項3記載の発明は上記請求項1または2に記載の発明において、前記予備成形工程のダイス内に充填される薄片状粉末にアスペクト比(粉末の長軸径と厚さの比)が50以上のものを用いるものである。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the aspect ratio (of the major axis diameter and thickness of the powder) is added to the flaky powder filled in the die of the preforming step. A ratio) of 50 or more is used.

アスペクト比が高い薄片状粉末を用いることにより、充填時にc面が充填高さ方向に並びやすくなるため高配向が得られやすく、さらに性能指数を改善することができる。   By using a flaky powder having a high aspect ratio, the c-plane is easily aligned in the filling height direction at the time of filling, so that high orientation can be easily obtained, and the figure of merit can be further improved.

本発明の請求項1記載の製造方法によれば、少なくともダイスの幅方向中央部ではc面が高さ方向に略平行に並ぶように薄片状粉末が充填されたダイスを、熱電材料の焼結温度未満でダイスの高さ方向と同軸方向に押圧して多段階で予備成形する予備成形工程を液体急冷法による薄片状粉末形成工程とホットプレス工程の間に設けているため、熱電材料中の酸素濃度を極めて低減でき、高充填密度で高配向の熱電材料を製造することができる。従って、含有酸素によって劣化しやすいN型のBi2Te3系熱電材料であっても、酸素濃度を100ppm以下に制御することができ性能指数に優れた熱電材料を得ることができる。 According to the manufacturing method of the first aspect of the present invention, the die filled with the flaky powder so that the c-plane is arranged substantially parallel to the height direction at least in the center portion in the width direction of the die is sintered with the thermoelectric material. Since a pre-forming process is performed between the flaky powder forming process by the liquid quenching method and the hot pressing process, the pre-molding process is performed at a temperature lower than the temperature and coaxially with the die height direction in a multi-stage process. The oxygen concentration can be greatly reduced, and a highly oriented thermoelectric material with a high packing density can be produced. Therefore, even if it is an N-type Bi 2 Te 3 thermoelectric material that is easily deteriorated by the contained oxygen, the oxygen concentration can be controlled to 100 ppm or less, and a thermoelectric material having an excellent performance index can be obtained.

本発明の請求項2記載の製造方法によれば、薄片状粉末の破砕を招くことなく充填密度と配向を向上できるため、性能指数のさらに優れた熱電材料を得ることができる。   According to the manufacturing method of the second aspect of the present invention, since the packing density and the orientation can be improved without causing the flaky powder to be crushed, a thermoelectric material having further excellent performance index can be obtained.

本発明の請求項3記載の製造方法によれば、アスペクト比が50以上の扁平形状の薄片状粉末を用いるため、ダイス充填時に薄片状粉末が整列して充填されやすくなり配向をさらに向上することができ、性能指数のさらなる改善を図ることができる。   According to the manufacturing method of the third aspect of the present invention, since the flat flaky powder having an aspect ratio of 50 or more is used, the flaky powder is easily aligned and filled at the time of die filling, and the orientation is further improved. And the performance index can be further improved.

以下、本発明の製造方法を図面に基づき説明する。   Hereinafter, the manufacturing method of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の製造方法において用いられる薄片状粉末形成工程の一例である回転ロール式の液体急冷法による急冷凝固装置10を示す概略図である。この装置では薄片状粉末を得るための回転ロール11と当該回転ロール11を不活性ガス雰囲気下又は減圧雰囲気下に置くためのチャンバー13などとから構成される。   FIG. 1 is a schematic view showing a rapid solidification apparatus 10 by a rotary roll type liquid quenching method, which is an example of a flaky powder forming process used in the production method of the present invention. This apparatus includes a rotating roll 11 for obtaining a flaky powder, a chamber 13 for placing the rotating roll 11 in an inert gas atmosphere or a reduced-pressure atmosphere, and the like.

本発明において用いられる熱電材料の原料としてはN型のBi2Te3系のインゴットが用いられ、例えばBi2Te3以外に、これらの一部をSb、Seなどで置換した熱電材料を挙げることができる。このような熱電材料はBi2Te3系のインゴットとともにSb、Seなどを添加して用いればよい。また、溶湯には、I、Cl、Br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。これらハロゲン元素はSbI3、AgIまたはHgBr2などの形態で添加すればよい。溶湯は、例えば所定組成で各元素を含有するインゴット及び必要により添加剤を添加し、これを加熱して溶融させることにより得ることができる。 As a raw material of the thermoelectric material used in the present invention, an N-type Bi 2 Te 3 -based ingot is used. For example, in addition to Bi 2 Te 3 , a thermoelectric material in which a part of these is replaced with Sb, Se, etc. Can do. Such a thermoelectric material may be used by adding Sb, Se or the like together with a Bi 2 Te 3 -based ingot. Moreover, 1 type, or 2 or more types of halogen elements, such as I, Cl, and Br, may be added to the molten metal. These halogen elements may be added in the form of SbI 3 , AgI or HgBr 2 . The molten metal can be obtained, for example, by adding an ingot containing each element with a predetermined composition and, if necessary, an additive, and heating and melting it.

チャンバー13にはチャンバー13内の空気を排出するための排気装置19と、チャンバー13内を窒素ガスやアルゴンガスなどの不活性ガスで置換するためのガスボンベ16が備えられており、チャンバー13内はこれらの不活性ガスによって一定圧に保たれている。チャンバー13内への不活性ガスの導入はチャンバー13を0.1Pa以下に真空引きした後、不活性ガスを供給することにより行なうことができる。また、チャンバー13には出来上がった薄片状粉末2が回収器15に充填されるようガイド14を備えている。なお、回収器15はガイド14と着脱可能に連結されている。   The chamber 13 is provided with an exhaust device 19 for exhausting the air in the chamber 13 and a gas cylinder 16 for replacing the interior of the chamber 13 with an inert gas such as nitrogen gas or argon gas. A constant pressure is maintained by these inert gases. The inert gas can be introduced into the chamber 13 by supplying the inert gas after evacuating the chamber 13 to 0.1 Pa or less. Further, the chamber 13 is provided with a guide 14 so that the collected flaky powder 2 is filled in the collecting device 15. The collecting device 15 is detachably connected to the guide 14.

回転ロール11は、例えばステンレス、銅などから作製され、不活性ガス雰囲気下に保持されたチャンバー13内に回転自在に配置される。なお、この図1では、回転ロール11は円盤状のロールが縦に配置されているが、横置きに配置され水平回転するものであってもよい。   The rotating roll 11 is made of, for example, stainless steel or copper, and is rotatably arranged in a chamber 13 held in an inert gas atmosphere. In FIG. 1, the rotating roll 11 is a disk-shaped roll arranged vertically, but may be arranged horizontally and rotated horizontally.

回転ロール11の上方にはロール11表面との間に一定距離をおいて、溶融された溶湯を噴出するノズル12が備えられている。ノズル12は石英ガラスから作製されており、このノズル12にはインゴット及びその他の添加剤を含む原料1が充填されている。また、ノズル12には噴射用ガスボンベ18が接続されている。溶融された原料1は噴出用ノズル部から溶湯として噴射用ガスによって回転ロール11に向けて供給される。溶融温度はノズル12に取り付けられた温度センサーによって検知されており、一定温度に調整される。   Above the rotating roll 11, a nozzle 12 is provided for ejecting molten molten metal at a certain distance from the surface of the roll 11. The nozzle 12 is made of quartz glass, and the nozzle 12 is filled with a raw material 1 containing an ingot and other additives. Further, an injection gas cylinder 18 is connected to the nozzle 12. The melted raw material 1 is supplied as a molten metal from the jet nozzle part toward the rotary roll 11 by the jet gas. The melting temperature is detected by a temperature sensor attached to the nozzle 12 and is adjusted to a constant temperature.

本発明においては、まずこのような回転ロール式の液体急冷法によって、薄片状粉末を作製する。高周波加熱装置17によって溶融されたノズル12内の原料1を噴射する際の溶湯の温度は熱電材料の完全溶融温度より20℃以上、100℃以下の範囲で高くなるように設定される。溶湯温度を20℃以上にすることにより噴射時にノズルからの供給を円滑にし、均一な薄片状粉末が得られ易くなり、100℃以下とすることにより粉末に含まれる酸素濃度をさらに低減することができるとともに、熱電材料内の成分を変化させることなく安定した性質の粉末を得ることができる。   In the present invention, first, a flaky powder is produced by such a rotating roll liquid quenching method. The temperature of the molten metal at the time of injecting the raw material 1 in the nozzle 12 melted by the high-frequency heating device 17 is set to be higher in the range of 20 ° C. or more and 100 ° C. or less than the complete melting temperature of the thermoelectric material. By making the molten metal temperature 20 ° C. or higher, the supply from the nozzle is made smooth at the time of injection, and it becomes easy to obtain a uniform flaky powder. By making it 100 ° C. or lower, the oxygen concentration contained in the powder can be further reduced. In addition, a powder having stable properties can be obtained without changing the components in the thermoelectric material.

チャンバー13内は室温と略同程度に維持されており、回転ロール11上に噴射などの手段により供給された溶湯は急激に冷却固化される。急冷条件は熱電材料の種類によって異なるが、通常103K/sec以上、106K/sec以下である。なお、ノズル先端と回転ロール11との距離は、概ね1〜数mm程度に設定される。そして、回転ロール11表面で急冷凝固された薄片状粉末2はその遠心力によってその表面から剥離され、回転ロール11の回転方向に飛散しガイド14を通って回収器15に充填される。なお、この回収器15は後述する予備成形工程及びホットプレス工程で用いられるダイスであってもよいが、本発明では多段階で予備成形を行うため別回収器で薄片状粉末を回収し、それからダイス内に薄片状粉末を充填する方が作業手順上好ましい。 The inside of the chamber 13 is maintained at about the same temperature as the room temperature, and the molten metal supplied onto the rotating roll 11 by means such as spraying is rapidly cooled and solidified. The quenching condition varies depending on the type of thermoelectric material, but is usually 10 3 K / sec or more and 10 6 K / sec or less. The distance between the nozzle tip and the rotary roll 11 is set to about 1 to several mm. The flaky powder 2 rapidly solidified on the surface of the rotating roll 11 is peeled off from the surface by the centrifugal force, scattered in the rotating direction of the rotating roll 11, passed through the guide 14, and filled into the recovery unit 15. The collector 15 may be a die used in a preforming step and a hot press step, which will be described later, but in the present invention, pre-molding is performed in multiple stages, so that flaky powder is recovered with a separate collector, and then It is preferable in terms of work procedure to fill the dies with flaky powder.

上記薄片状粉末形成工程において得られる薄片状粉末の大きさは、平板状の形状をしており、その幅及び長さが各々1mm以上、10mm以下、厚さが10μm以上、20μm以下となるようにすることが好ましい。またアスペクト比(粉末の長軸と厚さの比)は10以上、1000以下となるようにすることが好ましく、特にアスペクト比が50以上の薄片状粉末のみを用いることが好ましい。粉末の大きさを長軸で1mm以上、アスペクト比を10以上とすることにより、薄片状粉末が粉末の厚み方向で並列しやすくなり、配向をさらに高めることができ、長軸を10mm以下、アスペクト比を1000以下とすることにより、薄片状粉末の形状のばらつきを減少し、性能を向上することができる。なお、粉末のサイズは光学顕微鏡により10〜100個を測定した時の平均値によるものである。上記のような高いアスペクト比を有する薄片状粉末は、例えば急冷凝固された薄片状粉末を所定径のメッシュで粒径の小さな粉末を分別することにより得ることができる。このような薄片状粉末の形態とすることにより、ダイスへの充填時に結晶のc面が充填高さ方向に対して略平行に並び易く、従って予備成形工程での押圧時に粉末間の隙間を低減することが可能となる。   The size of the flaky powder obtained in the flaky powder forming step has a flat shape, and the width and length are 1 mm or more and 10 mm or less, respectively, and the thickness is 10 μm or more and 20 μm or less. It is preferable to make it. The aspect ratio (ratio of the major axis of the powder to the thickness) is preferably 10 or more and 1000 or less, and it is particularly preferable to use only flaky powder having an aspect ratio of 50 or more. By setting the size of the powder to 1 mm or more in the major axis and the aspect ratio to 10 or more, the flaky powder can be more easily aligned in the thickness direction of the powder, and the orientation can be further enhanced. By setting the ratio to 1000 or less, variation in the shape of the flaky powder can be reduced and the performance can be improved. In addition, the size of the powder is based on an average value when 10 to 100 powders are measured with an optical microscope. The flaky powder having a high aspect ratio as described above can be obtained, for example, by fractionating a flaky powder which has been rapidly solidified into a powder having a small particle diameter with a mesh having a predetermined diameter. By adopting such a flaky powder form, the c-plane of the crystal is easy to line up substantially parallel to the filling height direction when filling the die, and therefore the gap between the powders is reduced when pressing in the preforming process. It becomes possible to do.

上記のような粉末を形成するための回転ロールの速度としては、周速で5〜20m/sec、溶湯の噴出圧力としては、0.15〜2MPaが好ましい。   The speed of the rotating roll for forming the powder as described above is preferably 5 to 20 m / sec at the peripheral speed, and 0.15 to 2 MPa as the jetting pressure of the molten metal.

次に、本発明では得られた薄片状粉末をホットプレス工程での焼結を行う前に予備成形する。この予備成形工程を経てホットプレス処理を行なうことにより粉末が焼結するホットプレス時に粉末間に存在する酸素量が低減され、酸素濃度の低い熱電材料を得ることができる。予備成形工程に当たっては押圧により成形を行うためまず薄片状粉末2をダイス内に充填する。   Next, in the present invention, the obtained flaky powder is preformed before sintering in the hot pressing step. By performing the hot pressing process through this preforming step, the amount of oxygen present between the powders during hot pressing in which the powder is sintered is reduced, and a thermoelectric material having a low oxygen concentration can be obtained. In the pre-molding step, the flaky powder 2 is first filled in a die in order to perform molding by pressing.

図4は本発明の薄片状粉末のダイスへの充填状態を示すものであり、(a)はアスペクト比の低い粉末のみを充填したダイスを、(b)はアスペクト比の高い粉末のみを充填したダイスの状態を示す概略図である。なお、実際はメッシュなどによる分別工程を設けなければ、アスペクト比の異なる薄片状粉末が混在した状態となっている。図中、(a)では薄片状粉末がダイスの幅方向中央部では粉末の厚み方向に重なるようにしているため、各粉末中で単結晶内のc面がダイスの充填高さ方向に略平行に並ぶように充填されているが、アスペクト比が低いためダイスの側壁部では並列しない薄片状粉末もある。これに対し、(b)ではアスペクト比が高いためいずれの粉末も粉末の厚み方向に重なるように充填されており、c面がさらに高さ方向に平行に並ぶようになる。アスペクト比が50以上の薄片状粉末のみを用いた場合、(b)の充填状態となりやすい。これらのようなc面がダイスの高さ方向に略平行に並ぶように充填することにより、酸素濃度が低減され、高充填で、高配向の熱電材料を得ることができる。   FIG. 4 shows the filling state of the flaky powder of the present invention into a die, where (a) is a die filled only with a powder having a low aspect ratio, and (b) is filled only with a powder having a high aspect ratio. It is the schematic which shows the state of dice | dies. Actually, if a separation step using a mesh or the like is not provided, flaky powders having different aspect ratios are mixed. In the figure, (a) the flaky powder is overlapped in the thickness direction of the powder at the center in the width direction of the die, so the c-plane in the single crystal in each powder is substantially parallel to the filling height direction of the die. However, there are some flaky powders that are not juxtaposed on the side wall of the die because of the low aspect ratio. On the other hand, in (b), since the aspect ratio is high, all powders are filled so as to overlap in the thickness direction of the powder, and the c-plane is further arranged in parallel to the height direction. When only the flaky powder having an aspect ratio of 50 or more is used, the filling state (b) is likely to occur. By filling such c-planes so that the c-planes are arranged substantially parallel to the height direction of the die, the oxygen concentration is reduced, and a highly oriented thermoelectric material can be obtained with high filling.

予備成形工程における押圧時の雰囲気は不活性ガス雰囲気又は減圧雰囲気とする必要があり、好ましくは酸素濃度が0.01ppm以下で行なうことが望ましい。従って、薄片状粉末を充填したダイス内を再度不活性ガスにより置換してもよい。このため予備成形工程はグローブボックスなどの密閉系で行なわれる。   The atmosphere during pressing in the preforming step needs to be an inert gas atmosphere or a reduced pressure atmosphere, and it is desirable that the oxygen concentration be 0.01 ppm or less. Therefore, the inside of the die filled with the flaky powder may be replaced with an inert gas again. For this reason, the preforming step is performed in a closed system such as a glove box.

図2は予備成形工程の一例を示す予備成形機20の概略図である。グローブボックス21内には薄片状粉末形成工程で作製された薄片状粉末2をc面が高さ方向に略平行に並ぶように充填したダイス25が設置されており、ダイス25の開口部端から充填された薄片状粉末2を押圧できる構造を有している。   FIG. 2 is a schematic view of the preforming machine 20 showing an example of the preforming process. In the glove box 21, a die 25 filled with the flaky powder 2 produced in the flaky powder forming step is installed so that the c-plane is arranged substantially parallel to the height direction, and from the opening end of the die 25. It has a structure capable of pressing the filled flaky powder 2.

予備成形機20は通常のものが用いられ、例えば、ダイス25を上下動自在に支持する下側支持台22、押圧部23、下側支持台22を上下動させる油圧シリンダ24を備えている。グローブボックス21には、内部にアルゴンガスなどの不活性ガスを封入できるガスボンベ26および内部の空気を排気する排気装置27が接続されている。下側支持台22は、上端部にダイス25の下端部を収納保持する凹部が形成されている。なお、図示していないがグローブボックス21はダイス25をグローブボックス内に搬入可能な搬入部が設けられている。そして、搬入部を含めてグローブボックス21内を不活性ガスで置換した後、下側支持台22上にダイス25を設置できるようになっている。そして油圧シリンダ24の操作により下側支持台22を下方に位置させる。次に、油圧シリンダ24により下側支持台22を徐々に持ち上げることによりダイス25に充填された薄片状粉末2を押圧する。   The preforming machine 20 is a normal one, and includes, for example, a lower support base 22 that supports the die 25 so as to be movable up and down, a pressing portion 23, and a hydraulic cylinder 24 that moves the lower support base 22 up and down. Connected to the glove box 21 are a gas cylinder 26 that can contain an inert gas such as argon gas and an exhaust device 27 that exhausts the air inside. The lower support 22 is formed with a recess for storing and holding the lower end of the die 25 at the upper end. Although not shown, the glove box 21 is provided with a carry-in portion capable of carrying the dice 25 into the glove box. Then, after replacing the inside of the glove box 21 including the carry-in portion with an inert gas, the dice 25 can be installed on the lower support base 22. Then, the lower support base 22 is positioned downward by operating the hydraulic cylinder 24. Next, the flaky powder 2 filled in the die 25 is pressed by gradually lifting the lower support 22 by the hydraulic cylinder 24.

本発明の予備成形工程における押圧の圧力としては、10MPa以上、50MPa以下とすることが好ましい。10MPa以上とすることにより粉末の充填密度をさらに高くし粉末間の隙間を減少することができ、好ましくは、15MPa以上である。一方、50MPa以下とすることにより充填密度を減少し、配向の低下をもたらす押圧時の粉末の破砕を防ぐことができ、好ましくは、30MPa以下である。予備成形工程における押圧時間は10秒以下の短時間で十分であり、薄片状粉末2を徐々に押圧していき、所定の圧力になった時点で圧を開放することもできる。押圧時間が余りに長いと薄片状粉末が粉砕されてしまい、充填性が低下する傾向にある。   The pressing pressure in the preforming step of the present invention is preferably 10 MPa or more and 50 MPa or less. By setting it to 10 MPa or more, the packing density of the powder can be further increased and the gaps between the powders can be reduced, and preferably it is 15 MPa or more. On the other hand, by setting the pressure to 50 MPa or less, the packing density can be reduced, and the powder can be prevented from being crushed at the time of pressing, which causes a decrease in orientation, and preferably 30 MPa or less. The pressing time in the pre-forming step is sufficient for a short time of 10 seconds or less, and the flaky powder 2 is gradually pressed, and the pressure can be released when a predetermined pressure is reached. If the pressing time is too long, the flaky powder is crushed and the filling property tends to be lowered.

また、予備成形工程におけるダイスの押圧の方向は図に示すように薄片状粉末の充填される際の高さ方向と同軸方向から行なう必要がある。この押圧方向を充填時の高さ方向と一致させることにより、粉末を破砕することなく充填を高めることができる。   In addition, as shown in the figure, the direction of pressing the die in the preforming step needs to be performed from the height direction when the flaky powder is filled and from the coaxial direction. By making this pressing direction coincide with the height direction during filling, filling can be enhanced without crushing the powder.

押圧時の温度は熱電材料が焼結しない温度未満であればよく、好ましくは室温である。予備成形工程での温度が焼結時の温度に近づくと焼結により結晶界面に酸素が残存し、酸素濃度の低減の効果が得られにくくなる。焼結温度は使用される熱電材料の種類によって異なるが、例えば、Bi2Te3からなる熱電材料では、400〜500℃である。 The temperature at the time of pressing may be lower than the temperature at which the thermoelectric material does not sinter, and is preferably room temperature. When the temperature in the preforming step approaches the temperature at the time of sintering, oxygen remains at the crystal interface due to the sintering, and the effect of reducing the oxygen concentration becomes difficult to obtain. The sintering temperature varies depending on the type of thermoelectric material used, but is 400 to 500 ° C. for a thermoelectric material made of Bi 2 Te 3 , for example.

本発明において、上記予備成形は多段階で行う。すなわち、薄片状粉末形成工程で薄片状粉末を形成し、その一部をc面が高さ方向に略平行に並ぶようにダイスに充填して最初の押圧を行う。次に、同様に薄片状粉末形成工程で作製した薄片状粉末を最初の予備成形が終了したダイス内に充填し、2回目の押圧を行なうようにし、充填、押圧の作業を複数回繰り返して多段階で薄片状粉末の予備成形を行い、最終的に所定量の薄片状粉末を予備成形した予備成形体とする。この場合、薄片状粉末の充填は酸素に触れる機会をできるだけ低減するためにも新たに薄片状粉末形成工程にダイスを戻すことなく、予め液体急冷法により作製した粉末を予備成形機内で補充することが好ましい。このような多段階での押圧を繰り返すことにより、一度の押圧で予備成形する場合よりも充填密度をさらに向上することができるとともに、さらに高配向とすることが可能となる。なお、押圧方向を一致させるために2回目以降の薄片状粉末の充填も、最初の薄片状粉末形成工程の充填時と同方向に積層するよう充填する必要がある。   In the present invention, the preforming is performed in multiple stages. That is, the flaky powder is formed in the flaky powder forming step, and a part of the flaky powder is filled in a die so that the c-plane is arranged substantially parallel to the height direction, and the first pressing is performed. Next, similarly, the flaky powder produced in the flaky powder forming step is filled in the die after the first preliminary molding, and the second pressing is performed, and the filling and pressing operations are repeated a plurality of times. Preliminary molding of the flaky powder is performed in stages, and finally a preform is obtained by preforming a predetermined amount of flaky powder. In this case, in order to reduce the chance of contact with oxygen as much as possible, the filling of the flaky powder is performed by replenishing the powder prepared in advance by the liquid quenching method in the preforming machine without returning the die to the flaky powder forming process. Is preferred. By repeating such multi-stage pressing, the packing density can be further improved as compared with the case of preforming with a single pressing, and higher orientation can be achieved. In order to make the pressing direction coincide, the second and subsequent flaky powders need to be filled so as to be laminated in the same direction as that in the first flaky powder forming step.

各押圧時の薄片状粉末の充填量は特に制限されないが、薄片状粉末の厚みの1倍以上、100倍以下ずつ粉末を充填し押圧することが好ましい。なお、各段階の充填量はダイス内への充填工程の簡略化及び製造スピードの向上を図りたい場合には、50倍以上、100倍以下とすることが好ましく、充填密度及び配向をさらに向上したい場合には、1倍以上、10倍以下とすることが好ましい。   The filling amount of the flaky powder at each pressing is not particularly limited, but it is preferable to fill and press the powder by 1 to 100 times the thickness of the flaky powder. In addition, when it is desired to simplify the filling process into the die and improve the production speed, the filling amount at each stage is preferably 50 times or more and 100 times or less, and it is desired to further improve the filling density and orientation. In such a case, it is preferable to set it to 1 to 10 times.

また、各段階での充填量は上記充填量の範囲であればいずれの段階でも同充填量としてもよく、充填高さによって充填量を変更してもよい。例えば、充填高さが高くなるほど充填量を少なくしていくこともできる。さらに、各段階における押圧の圧力も上記範囲であればいずれの段階も一定であってもよいが、充填高さによって圧力を変更してもよい。例えば、充填高さが高くなるほど圧力を高くしていくこともできる。   Further, the filling amount at each stage may be the same filling amount at any stage as long as it is within the above-mentioned filling amount, and the filling amount may be changed depending on the filling height. For example, the filling amount can be reduced as the filling height increases. Furthermore, the pressure in each step may be constant as long as it is within the above range, but the pressure may be changed depending on the filling height. For example, the pressure can be increased as the filling height increases.

次に、上記のようにして得られた予備成形体をホットプレス処理し、成形体とする。図3はホットプレス工程の一例を示すホットプレス機30の概略図である。   Next, the preformed body obtained as described above is subjected to hot press treatment to obtain a molded body. FIG. 3 is a schematic view of a hot press machine 30 showing an example of a hot press process.

ホットプレス機30は、通常のものが用いられ、予備成形工程で用いられた成形機と類似しているが、ヒータ35がダイス25の周囲に配置されている点などで異なっている。   The hot press machine 30 is a normal one and is similar to the molding machine used in the preliminary molding process, but differs in that the heater 35 is arranged around the die 25.

ホットプレス工程では、まず、例えば排気装置37によりチャンバー31内を真空にした後、ガスボンベ36によりチャンバー31内にアルゴンガスなどの不活性ガスを充填する。次に、ヒータ35をオンさせてダイス25を加熱した状態に保持する。次に、油圧シリンダ34により下側支持台32を徐々に持ち上げダイス25内に充填された熱電材料の薄片状粉末2を押圧する。これにより薄片状粉末2を加熱・加圧するホットプレス処理が行われて薄片状粉末2が焼結し成形体が形成される。加圧圧力は、5MPa以上、50MPa以下に設定する。加熱温度は使用される熱電材料によっても異なり、Bi2Te3からなる熱電材料では前述の焼結温度以上であればよい。処理時間は通常0.5〜3時間であり、好ましくは1〜2時間である。 In the hot press process, first, the inside of the chamber 31 is evacuated by, for example, the exhaust device 37 and then the chamber 31 is filled with an inert gas such as argon gas by the gas cylinder 36. Next, the heater 35 is turned on to hold the die 25 in a heated state. Next, the lower support 32 is gradually lifted by the hydraulic cylinder 34 to press the flaky powder 2 of the thermoelectric material filled in the die 25. Thereby, the hot pressing process which heats and pressurizes the flaky powder 2 is performed, the flaky powder 2 is sintered, and a molded object is formed. The pressurizing pressure is set to 5 MPa or more and 50 MPa or less. The heating temperature varies depending on the thermoelectric material to be used, and the thermoelectric material made of Bi 2 Te 3 may be at least the above-described sintering temperature. The treatment time is usually 0.5 to 3 hours, preferably 1 to 2 hours.

ホットプレス処理における押圧の方向は予備成形工程の押圧方向と同軸方向とすることが必要である。このように押圧方向を一致させることにより予備成形による高充填、高配向を維持したまま成形することができる。従って、本発明では上記のような予備成形工程により粉末間の間隙が減少され、高配向の状態で焼結されることから、結晶界面の酸素量が低減され熱電材料中の酸素濃度を100ppm以下にできるとともに、高い充填密度で高配向のN型の熱電材料を得ることができ、それによって性能指数に優れた熱電素子を得ることができる。   The direction of pressing in the hot press process needs to be coaxial with the pressing direction in the preforming step. Thus, by matching the pressing direction, it is possible to perform molding while maintaining high filling and high orientation by preliminary molding. Accordingly, in the present invention, the gap between the powders is reduced by the preforming process as described above, and sintering is performed in a highly oriented state, so that the amount of oxygen at the crystal interface is reduced and the oxygen concentration in the thermoelectric material is 100 ppm or less. In addition, an N-type thermoelectric material having a high packing density and a high orientation can be obtained, whereby a thermoelectric element having an excellent figure of merit can be obtained.

本発明の製造方法によって得られる熱電材料は、高充填、高配向であるため、ホットプレス処理後は所定サイズに切り出してそのまま熱電素子成形体とすることもできる。また所望により上記成形体をさらに押出し法などにより二次成形体とすることもできる。この押出し法による二次成形体としては、例えば2軸加工成形では押出し温度300〜500℃、ステム速度0.1〜10mm/s、押出し比は5〜40が望ましい。   Since the thermoelectric material obtained by the production method of the present invention is highly filled and highly oriented, it can be cut into a predetermined size after the hot press treatment to obtain a thermoelectric element molded body as it is. If desired, the molded body can be further formed into a secondary molded body by an extrusion method or the like. As the secondary molded body by this extrusion method, for example, in biaxial machining, an extrusion temperature of 300 to 500 ° C., a stem speed of 0.1 to 10 mm / s, and an extrusion ratio of 5 to 40 are desirable.

以下本発明を実施例によってさらに詳細に説明するが、下記実施例は単なる一例であり本発明を限定する性質のものでなく、前・後記の趣旨に基づき設計変更することはいずれも本発明の技術的範囲に含まれるものである。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. However, the following examples are merely examples and are not intended to limit the present invention, and any design changes based on the gist of the present invention will be described below. It is included in the technical scope.

実験1
図1に示す回転ロール式急冷凝固装置を用い、N型のBi2Te3系熱電材料の薄片状粉末を作成した。原料にはSe3重量部を含有するBi2Te3のインゴットを用いた。装置内を0.1Pa以下に真空引きした後、アルゴンガスを注入して不活性雰囲気とした。回転ロール11の上のノズル12に投入した原料(溶融温度:585℃)を温度620℃で溶湯とし、金属製の回転ロール11の上にこの溶湯を噴出した。このとき液体急冷するための回転ロール11の回転速度は10m/sec、噴出圧は0.1MPa(ノズル径:φ0.3mm)とした。
Experiment 1
Using the rotary roll type rapid solidification apparatus shown in FIG. 1, flaky powder of N-type Bi 2 Te 3 series thermoelectric material was prepared. A Bi 2 Te 3 ingot containing Se 3 parts by weight was used as a raw material. After the inside of the apparatus was evacuated to 0.1 Pa or less, argon gas was injected to make an inert atmosphere. The raw material (melting temperature: 585 ° C.) charged into the nozzle 12 on the rotating roll 11 was melted at a temperature of 620 ° C., and this molten metal was jetted onto the metallic rotating roll 11. At this time, the rotational speed of the rotary roll 11 for rapidly cooling the liquid was 10 m / sec, and the ejection pressure was 0.1 MPa (nozzle diameter: φ0.3 mm).

噴出した溶湯は回転ロールにより冷却されて飛散し、薄片状粉末2がガイドを通って回収器15内に回収されるようにした。得られた薄片状粉末は一辺が平均5mm、厚さが平均20μmの板状粉末であった。   The jetted molten metal was cooled and scattered by a rotating roll so that the flaky powder 2 was recovered in the recovery device 15 through a guide. The obtained flaky powder was a plate-like powder having an average side of 5 mm and an average thickness of 20 μm.

次に、得られた薄片状粉末を入れた回収器を密閉した後、急冷凝固装置から取り外し、大気下直ちにアルゴンガスで置換した予備成形用のグローブボックスに搬入した。グローブボックスを真空引きしアルゴンガスで再度内部を置換した後、グローブボックス中でダイス(内径:φ28mm)内へ高さ約1mm(薄片状粉末の厚みの約50倍)で薄片状粉末を充填した。充填時にはc面がダイスの高さ方向に略平行に並ぶように粉末を重ねた。   Next, after the recovered container containing the obtained flaky powder was sealed, it was removed from the rapid solidification apparatus, and was immediately carried into a glove box for preforming replaced with argon gas in the atmosphere. The glove box was evacuated and the inside was replaced again with argon gas, and then the flaky powder was filled into the die (inner diameter: φ28 mm) at a height of about 1 mm (about 50 times the thickness of the flaky powder) in the glove box. . At the time of filling, the powder was piled up so that the c-plane was aligned substantially parallel to the height direction of the die.

図2に示す予備成形機を用い、室温で充填高さ方向と同軸方向で圧力15MPaまで30秒間かけて押圧していき、15MPaになった時点で圧を開放した。   Using the preforming machine shown in FIG. 2, pressing was performed for 30 seconds up to a pressure of 15 MPa in the same direction as the filling height direction at room temperature, and when the pressure reached 15 MPa, the pressure was released.

次に、予備成形機内で前記押圧された充填物の上から同様に高さ約1mm程度で薄片状粉末を充填し、さらに押圧した後、開放する作業を行ない、これを50回繰り返して予備成形体を作製した。   Next, the flaky powder is similarly filled with a height of about 1 mm from above the pressed filling in the preforming machine, and further pressed and then released, and this is repeated 50 times. The body was made.

得られた予備成形体を入れたダイスをグローブボックスから取り出し、直ちにホットプレス処理を行うためチャンバー内に搬入した。   The die containing the obtained preform was taken out of the glove box and immediately carried into the chamber for hot pressing.

ホットプレス処理は図3に示す装置を用い、チャンバーを真空引きしアルゴンガスで内部を置換した後、ヒータで炉内温度450℃に加熱した状態で、圧力50MPa、押圧時間1.5時間で押圧し加熱・加圧焼結処理して成形体を作製した。   The apparatus shown in FIG. 3 is used for hot pressing, and after the chamber is evacuated and the inside is replaced with argon gas, pressing is performed at a pressure of 50 MPa and a pressing time of 1.5 hours with the heater heated to a furnace temperature of 450 ° C. Then, heating and pressure sintering were performed to produce a molded body.

実験2
実験1において、予備成形工程の各段階の押圧の圧力を30MPaとした以外は、実験1と同様にして成形体を作製した。
Experiment 2
In Experiment 1, a molded body was produced in the same manner as in Experiment 1 except that the pressing pressure at each stage of the preforming process was set to 30 MPa.

実験3
実験1において、予備成形工程の押圧の圧力を10MPaとした以外は、実験1と同様にして成形体を作製した。
Experiment 3
In Experiment 1, a molded body was produced in the same manner as in Experiment 1 except that the pressing pressure in the preforming step was 10 MPa.

実験4
実験1において、薄片状粉末形成工程で得られた粉末をふるい(1mmのメッシュ)にかけ長軸が1mm未満の粉末を除去し、1mmより大きな薄片状粉末(アスペクト比:50以上)のみを用いた以外は、実験1と同様にして成形体を作製した。
Experiment 4
In Experiment 1, the powder obtained in the flaky powder forming step was sieved (1 mm mesh) to remove the powder having a major axis of less than 1 mm, and only flaky powder larger than 1 mm (aspect ratio: 50 or more) was used. Except for the above, a molded body was produced in the same manner as in Experiment 1.

実験5
実験1において、得られた薄片状粉末を最終的に同量の充填量になるよう一度にダイスに充填し、予備成形を行った以外は、実験1と同様にして成形体を作製した。
Experiment 5
In Experiment 1, a molded body was produced in the same manner as in Experiment 1 except that the obtained flaky powder was filled in a die at a time so as to finally have the same filling amount, and preformed.

実験6
実験5において、予備成形を行わなかった以外は、実験1と同様にして成形体を作製した。
Experiment 6
In Experiment 5, a molded body was produced in the same manner as in Experiment 1 except that the preforming was not performed.

実験7
実験5において、予備成形前に薄片状粉末を乳鉢により粉砕し、この粉砕した粉末のうち粒径53μm以下(アスペクト比:3以下)の粉末を用いてダイス内に粉末をランダム状態で充填したものを予備成形した以外は、実験5と同様にして成形体を作製した。
Experiment 7
In Experiment 5, flaky powder was pulverized with a mortar before preforming, and the powder was randomly filled in the die using a powder having a particle size of 53 μm or less (aspect ratio: 3 or less). A molded body was produced in the same manner as in Experiment 5 except that was preformed.

上記のようにして得られた各熱電材料の酸素濃度及び性能指数を測定した結果を表1に示す。
Table 1 shows the results of measuring the oxygen concentration and the figure of merit of each thermoelectric material obtained as described above.

Figure 2006269871
Figure 2006269871

表1に示すように、本発明の多段階の押圧による予備成形工程を有する製造方法により製造された実験1〜3の熱電材料は酸素濃度が100ppm以下に抑えられており、高充填で、高配向でもあるため、実験5の一回の押圧のみの予備成形工程を有する熱電材料よりも性能指数に優れている。特にアスペクト比が50以上の薄片状粉末のみを用いた実験4の熱電材料はさらに性能指数が改善されている。これに対して、予備成形工程を行わなかった実験6では酸素濃度が高くなり、200ppm程度で性能指数が劣化することが分かる。また、予備成形工程を行ったが粉末をランダムに充填して押圧を行った実験7では酸素濃度の減少はわずかであり、配向も劣るため性能指数が低下している。   As shown in Table 1, the thermoelectric materials of Experiments 1 to 3 manufactured by the manufacturing method having a preforming step by multistage pressing according to the present invention have an oxygen concentration suppressed to 100 ppm or less, high filling, Since it is also an orientation, the figure of merit is superior to that of a thermoelectric material having a preforming step of only one press in Experiment 5. In particular, the performance index of the thermoelectric material of Experiment 4 using only flaky powder having an aspect ratio of 50 or more is further improved. In contrast, in Experiment 6 in which the preforming step was not performed, the oxygen concentration was high, and it was found that the figure of merit deteriorated at about 200 ppm. In Experiment 7 in which the preforming process was performed but the powder was randomly filled and pressed, the decrease in oxygen concentration was slight and the performance index was lowered because the orientation was poor.

本発明の薄片状粉末成形工程に用いられる回転ロール式の急冷凝固装置を示す概略図である。It is the schematic which shows the rotary roll type rapid solidification apparatus used for the flaky powder shaping | molding process of this invention. 本発明の予備成形工程に用いられる予備成形機の示す概略図である。It is the schematic which shows the preforming machine used for the preforming process of this invention. 本発明のホットプレス工程に用いられるホットプレス機の示す概略図である。It is the schematic which the hot press machine used for the hot press process of this invention shows. (a)及び(b)は本発明の薄片状粉末のダイス内での充填状態を示す概略図である。(A) And (b) is the schematic which shows the filling state in the die | dye of the flaky powder of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 原料
2 薄片状粉末
10 急冷凝固装置
11 回転ロール
20 予備成形機
25 ダイス
30 ホットプレス機
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Raw material 2 Flaky powder 10 Rapid solidification apparatus 11 Rotating roll 20 Preforming machine 25 Die 30 Hot press machine

Claims (3)

N型のBi2Te3系熱電材料の製造方法であって、
Bi及びTeを含有する溶湯を回転ロール上に供給して液体急冷法により薄片状粉末に形成する薄片状粉末形成工程と、
少なくとも幅方向中央部ではc面が高さ方向に略平行に並ぶように前記薄片状粉末が充填されたダイスを、前記熱電材料の焼結温度未満で前記ダイスの高さ方向と同軸方向に押圧して多段階で予備成形する予備成形工程と、
前記予備成形された薄片状粉末を前記予備成形工程における押圧方向と同軸方向で押圧しながらホットプレス処理するホットプレス工程と、
を備える熱電材料の製造方法。
A method for producing an N-type Bi 2 Te 3 thermoelectric material,
A flaky powder forming step of supplying a molten metal containing Bi and Te onto a rotating roll to form a flaky powder by a liquid quenching method;
The die filled with the flaky powder is pressed in a direction coaxial with the die height direction at a temperature lower than the sintering temperature of the thermoelectric material so that the c-plane is arranged substantially parallel to the height direction at least in the center in the width direction. A preforming process for preforming in multiple stages,
A hot press step of hot pressing while pressing the preformed flaky powder in a direction coaxial with the pressing direction in the preforming step;
A method for producing a thermoelectric material comprising:
前記予備成形工程における各段階の圧力が、10MPa以上、50MPa以下である請求項1に記載の熱電材料の製造方法。   The method for producing a thermoelectric material according to claim 1, wherein the pressure at each stage in the preforming step is 10 MPa or more and 50 MPa or less. 前記予備成形工程のダイス内に充填される薄片状粉末のアスペクト比(粉末の長軸と厚さの比)が50以上である請求項1または2に記載の熱電材料の製造方法。   The method for producing a thermoelectric material according to claim 1 or 2, wherein an aspect ratio (ratio of the major axis of the powder to the thickness) of the flaky powder filled in the die in the preforming step is 50 or more.
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