JP2009188284A - Thermoelectric conversion material - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は熱電変換材料に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion material.
熱エネルギーを電気エネルギーに変換したり、電気エネルギーを熱エネルギーに変換したりする材料として熱電変換材料がある。この熱電変換材料はn型又はp型の二種類に大別される。n型の熱電変換材料とp型の熱電変換材料とを電気的に直列、熱的に並列となるよう交互に配置、結線すれば、熱電変換素子が得られる。この熱電変換素子の両面間に温度差を与えれば、発電を行うことが可能となる。また、熱電変換素子の両端子間に電圧を印加すれば、両面間に温度差が発生する。 Thermoelectric conversion materials are materials that convert thermal energy into electrical energy or convert electrical energy into thermal energy. This thermoelectric conversion material is roughly classified into two types, n-type and p-type. A thermoelectric conversion element can be obtained by alternately arranging and connecting n-type thermoelectric conversion materials and p-type thermoelectric conversion materials so as to be electrically in series and thermally parallel. If a temperature difference is given between both surfaces of the thermoelectric conversion element, power generation can be performed. Moreover, if a voltage is applied between the both terminals of a thermoelectric conversion element, a temperature difference will generate | occur | produce between both surfaces.
一般的な熱電変換材料としてBi−Te系化合物があり、これは高いゼーベック係数、つまり比較的良好な発電効率を有することから広く用いられている(非特許文献1)。しかし、Bi−Te系化合物からなる熱電変換材料は、構成元素であるBiやTeが高価な金属であるため、高コストとなる。また、これら金属は毒性を有するため、この熱電変換材料は環境に対する負荷も大きなものとなる。 There is a Bi-Te compound as a general thermoelectric conversion material, which is widely used because it has a high Seebeck coefficient, that is, relatively good power generation efficiency (Non-patent Document 1). However, a thermoelectric conversion material made of a Bi—Te compound is expensive because Bi and Te, which are constituent elements, are expensive metals. In addition, since these metals are toxic, this thermoelectric conversion material has a large environmental load.
これらの欠点に対し、発明者らは特許文献1記載の熱電変換材料を提案した。この熱電変換材料は、ホイスラー合金型の結晶構造をもち、化学式当たりの総価電子数が24である基本構造に対し、組成比を調整したり、構成元素の一部を他の元素で置換したりし、化学式当たりの総価電子数を制御したものである。基本構造としては、Fe2VAlを挙げた。 In response to these drawbacks, the inventors have proposed a thermoelectric conversion material described in Patent Document 1. This thermoelectric conversion material has a Heusler alloy type crystal structure, and the composition ratio is adjusted with respect to the basic structure having a total number of valence electrons of 24 per chemical formula, or a part of the constituent elements is replaced with other elements. In other words, the total number of valence electrons per chemical formula is controlled. The basic structure is Fe 2 VAl.
また、発明者らは特許文献2記載の熱電変換材料も提案した。この熱電変換材料は、Fe2VAlの基本構造に対し、構成元素の一部を他の元素で置換するとともに、置換する元素の原子量等を制御したものである。
The inventors have also proposed a thermoelectric conversion material described in
これらの提案に係るFe2VAl系熱電変換材料は、比較的安価な元素からなり、また各元素も毒性を有さない。また、この熱電変換材料は、総価電子数が24以上でn型、24以下でp型となる。例えば、総価電子数が24以上となるn型のFe2V(Al1-αMα)(M=Si、Ge又はSn、0<α<1)は、ゼーベック係数が約−120μV/Kの高い値を示す(特許文献1、2、非特許文献2)。一方、総価電子数が24以下となるp型のFe2(V1-αMα)Al(M=Ti、0<α<1)は、ゼーベック係数が約+80μV/Kである(特許文献1、非特許文献3)。
The Fe 2 VAl thermoelectric conversion materials according to these proposals are made of relatively inexpensive elements, and each element has no toxicity. The thermoelectric conversion material has a total valence electron number of 24 or more and n-type, and 24 or less is p-type. For example, n-type Fe 2 V (Al 1−α M α ) (M = Si, Ge or Sn, 0 <α <1) having a total valence electron number of 24 or more has a Seebeck coefficient of about −120 μV / K. (
しかし、より良好な発電効率の熱電変換材料が望まれている。このため、発明者らは、PCT/JP2006/323903において、Fe2VAlの基本構造に対し、Fe及びVのそれぞれ少なくとも一部を他の元素で置換した熱電変換材料を提案した。 However, a thermoelectric conversion material with better power generation efficiency is desired. For this reason, the inventors proposed a thermoelectric conversion material in which at least a part of each of Fe and V is substituted with another element for the basic structure of Fe 2 VAl in PCT / JP2006 / 323903.
この熱電変換材料においては、Feに替えて置換する他の元素がM1である場合には、元素M1が周期表における第4〜6周期の7〜10族からなる群から選ばれ、Vに替えて置換する他の元素がM2である場合には、元素M2が周期表における第4〜6周期の4〜6族からなる群から選ばれる。また、この熱電変換材料は、元素M1及び元素M2の置換量は、一般式(Fe1-αM1α)2(V1-βM2β)Alを満たす0<α<1及び0<β<1の範囲内で調整される。さらに、この熱電変換材料は、化学式当たりの総価電子数が24未満、23.5以上になるようにしてp型に制御され、24を超え、24.5以下になるようにしてn型に制御される。例えば、M1がIr、M2がTiの熱電変換材料は、ゼーベック係数が約+90μV/Kであり、M2をTiとして置換しただけの熱電変換材料よりも、出力因子及び性能指数が向上する。
In this thermoelectric conversion material, when the other element that replaces Fe is M 1 , the element M 1 is selected from the group consisting of groups 7 to 10 of the 4th to 6th periods in the periodic table, and V When the other element to be substituted in place of is M 2 , the element M 2 is selected from the group consisting of
しかしながら、この提案の熱電変換材料は、貴金属であるIrを用いることによる製造コストの上昇が避けられない。 However, the proposed thermoelectric conversion material inevitably increases the manufacturing cost due to the use of Ir, which is a noble metal.
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、より良好な発電効率を発揮可能であるとともに、安価で無毒な元素の組み合わせから成るFe2VAl系熱電変換材料を提供することを解決すべき課題としている。 The present invention has been made in view of the above-described conventional circumstances, and provides an Fe 2 VAl-based thermoelectric conversion material that can exhibit better power generation efficiency and is composed of a combination of inexpensive and non-toxic elements. Is a problem to be solved.
今回、発明者らは、Fe2VAlの基本構造に対し、Feの一部を元素Co(コバルト)で置換するとともに、Vの一部を元素Zr(ジルコニウム)又はHf(ハウニウム)で置換し、化学式当たりの総価電子数を制御することによって、熱電変換材料が正孔を多数キャリアとするp型や電子を多数キャリアとするn型に規則的になることを実証した。 At this time, the inventors replaced part of Fe with the element Co (cobalt) and part of V with the element Zr (zirconium) or Hf (haunium) with respect to the basic structure of Fe 2 VAl, By controlling the total number of valence electrons per chemical formula, it has been demonstrated that thermoelectric conversion materials are regularly p-type with holes as majority carriers and n-type with electrons as majority carriers.
しかしながら、こうして得られた熱電変換材料は、金属的性質として電気抵抗率が小さいという特徴があるものの、未だ電気抵抗率が十分に低くはない。また、これらの熱電変換材料は、未だゼーベック係数が十分に大きくはない。このため、これらの熱電変換材料の出力因子は十分に大きくない。 However, although the thermoelectric conversion material obtained in this way is characterized by a low electrical resistivity as a metallic property, the electrical resistivity is not yet sufficiently low. In addition, these thermoelectric conversion materials still do not have a sufficiently large Seebeck coefficient. For this reason, the output factor of these thermoelectric conversion materials is not sufficiently large.
このため、発明者らは、Feの一部を元素Ni(ニッケル)で置換するとともに、Vの一部を元素Ti(チタン)で置換した熱電変換材料を検証した。これらの熱電変換材料は、Feの一部を元素Niで置換し、かつVの一部を元素Zr又はHfで置換した熱電変換材料よりも、電気抵抗率が低く、ゼーベック係数が大きいことから、出力因子が大きいことを確認した。こうして、より実用性を向上させて以下の第1、2発明を完成させるに至った。 For this reason, the inventors verified a thermoelectric conversion material in which a part of Fe was replaced with the element Ni (nickel) and a part of V was replaced with the element Ti (titanium). These thermoelectric conversion materials have a lower electrical resistivity and a higher Seebeck coefficient than thermoelectric conversion materials in which part of Fe is replaced with element Ni and part of V is replaced with element Zr or Hf. It was confirmed that the output factor was large. Thus, the practicality has been further improved and the following first and second inventions have been completed.
すなわち、第1発明の熱電変換材料は、ホイスラー合金型の結晶構造をもち、化学式当たりの総価電子数が24であるFe2VAlの基本構造に対し、Fe及びVのそれぞれ少なくとも一部が他の元素で置換され、
Feに替えて置換する他の元素がNiであり、
Vに替えて置換する他の元素がTiであり、
元素Ni及び元素Tiの置換量が一般式(Fe1-αNiα)2(V1-βTiβ)Alを満たす0<α<1及び0<β<1の範囲内で調整され、かつ化学式当たりの総価電子数が24未満、23.5以上になるようにしてp型に制御されていることを特徴とする。
That is, the thermoelectric conversion material of the first invention has a Heusler alloy type crystal structure, and at least a part of each of Fe and V is different from the basic structure of Fe 2 VAl having 24 total valence electrons per chemical formula. Is replaced with
The other element that substitutes for Fe is Ni,
The other element that substitutes for V is Ti,
The amount of substitution of element Ni and element Ti is adjusted within the range of 0 <α <1 and 0 <β <1 satisfying the general formula (Fe 1-α Ni α ) 2 (V 1-β Ti β ) Al, and The total number of valence electrons per chemical formula is controlled to be p-type so as to be less than 24 and 23.5 or more.
第2発明の熱電変換材料は、ホイスラー合金型の結晶構造をもち、化学式当たりの総価電子数が24であるFe2VAlの基本構造に対し、Fe及びVのそれぞれ少なくとも一部が他の元素で置換され、
Feに替えて置換する他の元素がNiであり、
Vに替えて置換する他の元素がTiであり、
元素Ni及び元素Tiの置換量が一般式(Fe1-αNiα)2(V1-βTiβ)Alを満たす0<α<1及び0<β<1の範囲内で調整され、かつ化学式当たりの総価電子数が24を超え、24.5以下になるようにしてn型に制御されていることを特徴とする。
The thermoelectric conversion material of the second invention has a Heusler alloy type crystal structure and Fe 2 VAl having a total number of valence electrons of 24 per chemical formula, and at least a part of each of Fe and V is another element. Is replaced with
The other element that substitutes for Fe is Ni,
The other element that substitutes for V is Ti,
The amount of substitution of element Ni and element Ti is adjusted within the range of 0 <α <1 and 0 <β <1 satisfying the general formula (Fe 1-α Ni α ) 2 (V 1-β Ti β ) Al, and The total number of valence electrons per chemical formula is more than 24 and 24.5 or less, and the n-type is controlled.
本発明の熱電変換材料は、電気抵抗率がより小さいという特徴がある。また、この熱電変換材料では、Fe及びVのそれぞれ少なくとも一部を他の元素で置換すれば、格子振動の散乱が大きくなるため、熱伝導率が低下する。このため、この熱電変換材料を用いて、熱電変換効率の高い熱電変換素子を製造することができる。 The thermoelectric conversion material of the present invention is characterized by a lower electrical resistivity. Further, in this thermoelectric conversion material, if at least a part of each of Fe and V is substituted with another element, the scattering of lattice vibration increases, and the thermal conductivity decreases. For this reason, a thermoelectric conversion element with high thermoelectric conversion efficiency can be manufactured using this thermoelectric conversion material.
本発明の熱電変換材料は、従来の熱電変換材料と異なり、金属的性質として、750°C以上かつ融点以下の温度で熱間加工等を行うことができる。このため、熱電変換素子を製造する場合の歩留まりを高くすることができるとともに、製造工程数も少なくなり、ひいては熱電変換素子の製造コストの低廉化も実現できる。 Unlike the conventional thermoelectric conversion material, the thermoelectric conversion material of the present invention can be hot-worked at a temperature of 750 ° C. or higher and a melting point or lower as a metallic property. For this reason, the yield in the case of manufacturing a thermoelectric conversion element can be increased, the number of manufacturing steps can be reduced, and the manufacturing cost of the thermoelectric conversion element can be reduced.
発明者らが先の出願(特許文献1)で確認したように、ホイスラー合金型の結晶構造をもつFe2VAlの基本構造は化学式当たりの総価電子数が24である。すなわち原子当たりの平均電子濃度が24/4=6である場合、この熱電変換材料は、フェルミ準位に鋭い擬ギャップをもつ。第1、2発明の熱電変換材料において、この基本構造に対し、基本構造のFeの一部を元素Niで置換するとともに、基本構造のVの一部を元素Tiで置換すすることによって化学式当たりの総価電子数を制御すれば、フェルミ準位を擬ギャップの中心からシフトさせることができ、ゼーべック係数の符号や大きさを変化させ得る。 As the inventors have confirmed in a previous application (Patent Document 1), the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure has 24 total valence electrons per chemical formula. That is, when the average electron concentration per atom is 24/4 = 6, the thermoelectric conversion material has a sharp pseudogap at the Fermi level. In the thermoelectric conversion material according to the first and second inventions, the chemical structure can be obtained by substituting a part of the basic structure Fe with the element Ni and a part of the basic structure V with the element Ti. By controlling the total number of valence electrons, the Fermi level can be shifted from the center of the pseudogap, and the sign and magnitude of the Seebeck coefficient can be changed.
発明者らの試験結果によれば、第1、2発明の熱電変換材料は、より良好な発電効率を発揮する。また、これらの熱電変換材料は、貴金属であるIrを用いておらず、安価で無毒な元素の組み合わせからなる。 According to the test results of the inventors, the thermoelectric conversion materials of the first and second inventions exhibit better power generation efficiency. Further, these thermoelectric conversion materials do not use Ir, which is a noble metal, and are composed of a combination of inexpensive and nontoxic elements.
なお、第1、2発明の熱電変換材料は、この基本構造に対し、化学組成比を調整することによって化学式当たりの総価電子数を制御することも可能である。これによってフェルミ準位を擬ギャップの中心からシフトさせることができ、ゼーべック係数の符号や大きさを変化させ得る。この場合、化学組成比を調整量x、y及びzで調整しつつ、基本構造のFeの一部を元素Niで置換するとともに、基本構造のVの一部を元素Tiで置換すれば、一般式は(Fe1-αNiα)2+x(V1-βTiβ)1+yAl1+zとなる。 The thermoelectric conversion materials of the first and second inventions can control the total number of valence electrons per chemical formula by adjusting the chemical composition ratio with respect to this basic structure. As a result, the Fermi level can be shifted from the center of the pseudogap, and the sign and magnitude of the Seebeck coefficient can be changed. In this case, if the chemical composition ratio is adjusted with the adjustment amounts x, y, and z, a part of the basic structure Fe is replaced with the element Ni, and a part of the basic structure V is replaced with the element Ti. The formula is (Fe 1-α Ni α ) 2 + x (V 1-β Ti β ) 1 + y Al 1 + z .
本発明の熱電変換材料は以下の製造方法により製造され得る。この製造方法は、上記熱電変換材料を製造可能な元素と構成比率とを有する原料混合物を用意する第1工程と、該原料混合物を真空中又は不活性ガス中において溶融又は気化及び固化し、熱電変換材料を得る第2工程とを有することを特徴とする。 The thermoelectric conversion material of the present invention can be produced by the following production method. This manufacturing method includes a first step of preparing a raw material mixture having an element capable of manufacturing the thermoelectric conversion material and a constituent ratio, and melting or vaporizing and solidifying the raw material mixture in a vacuum or an inert gas, And a second step of obtaining a conversion material.
この製造方法で上記熱電変換材料を製造すれば、熱電変換効率が高く、環境汚染のおそれも少ない熱電変換材料を低廉に製造することが可能である。 If the thermoelectric conversion material is manufactured by this manufacturing method, a thermoelectric conversion material having high thermoelectric conversion efficiency and less risk of environmental pollution can be manufactured at low cost.
第2工程としては、例えば、原料混合物を真空中や不活性ガス中において溶解させた後で冷却する方法を採用することができる。n型の熱電変換材料又はp型の熱電変換材料を可及的に小さな粒径の粉体の集合体とするためには、まず、原料混合物をアーク溶解等により溶解した後に固化することによりインゴットを作製し、これを不活性ガス又は窒素ガス雰囲気中で機械的に粉砕してほぼ均粒の粉体を得る方法、溶湯粉化(アトマイズ)やガスアトマイズ法によってほぼ均粒の粉体を得る方法、メカニカルアロイング法により不活性ガス又は窒素ガス雰囲気中で原料混合物の圧着と破断を繰り返すことによってほぼ均粒の粉体を得る方法等を採用することができる。そして、こうして得られた粉体を真空中のホットプレス法、HIP(熱間等方圧成形)法、放電プラズマ焼結法、パルス通電法等により焼結することが可能である。HIP法により粉体を焼結する場合、例えば800°Cで高圧(150MPa)のアルゴンガスにより圧縮成形と焼結とを同時に進行させ、真密度で固化を行うことができる。また、擬HIP法によれば成形プレスを利用して安価に真密度固化を行うことができる。また、n型の熱電変換材料又はp型の熱電変換材料を可及的に小さな粒径の結晶粒の集合体とするためには、熱間圧延等の歪加工を行ったり、溶融した原料を急冷したりすること等により結晶粒を小さくする方法を採用することができる。 As a 2nd process, the method of cooling, after melt | dissolving a raw material mixture in a vacuum or an inert gas is employable, for example. In order to make an n-type thermoelectric conversion material or a p-type thermoelectric conversion material as an aggregate of powders having as small a particle size as possible, first, the raw material mixture is melted by arc melting or the like and then solidified. A method for obtaining a substantially uniform powder by mechanically pulverizing it in an inert gas or nitrogen gas atmosphere, and a method for obtaining a substantially uniform powder by molten metal atomization or gas atomization. Further, a method of obtaining a substantially uniform powder by repeatedly pressing and breaking the raw material mixture in an inert gas or nitrogen gas atmosphere by a mechanical alloying method can be employed. The powder thus obtained can be sintered by a hot press method in a vacuum, a HIP (hot isostatic pressing) method, a discharge plasma sintering method, a pulse current method or the like. When the powder is sintered by the HIP method, for example, compression molding and sintering can be performed simultaneously with high-pressure (150 MPa) argon gas at 800 ° C. to solidify at a true density. Further, according to the pseudo-HIP method, the true density can be solidified at low cost by using a molding press. In addition, in order to make an n-type thermoelectric conversion material or a p-type thermoelectric conversion material as an aggregate of crystal grains having a particle size as small as possible, strain processing such as hot rolling is performed, or a molten raw material is used. A method of reducing the crystal grains by rapid cooling or the like can be employed.
本発明の熱電変換材料により熱電変換素子を製造することが可能である。こうして得られる熱電変換素子は、ゼーべック係数の符号が正の上記熱電変換材料がp型としての挙動を示し、ゼーべック係数の符号が負の上記熱電変換材料がn型としての挙動を示す。これらの熱電変換素子は、熱電変換効率が高く、製造コストの低廉化が可能であり、環境汚染のおそれが少ない。 It is possible to manufacture a thermoelectric conversion element with the thermoelectric conversion material of the present invention. In the thermoelectric conversion element thus obtained, the thermoelectric conversion material having a positive sign of the Seebeck coefficient exhibits a behavior as a p-type, and the thermoelectric conversion material having a negative sign of the Seebeck coefficient is an n-type. Shows behavior. These thermoelectric conversion elements have high thermoelectric conversion efficiency, can be manufactured at low cost, and are less likely to cause environmental pollution.
[試験例1]
試験例1の熱電変換材料は、基本構造のFe2VAlに対し、Feの一部をCoで置換し、Vの一部をZrで置換したものである。Coの置換量αは0.015で選択されており、Zrの置換量βは0.1で選択されている。
[Test Example 1]
The thermoelectric conversion material of Test Example 1 is obtained by substituting a part of Fe with Co and a part of V with Zr with respect to Fe 2 VAl having a basic structure. The substitution amount α of Co is selected to be 0.015, and the substitution amount β of Zr is selected to be 0.1.
Fe2VAlの基本構造の化学式当たりの総価電子数は、以下の計算により24である。つまり、Feの価電子数は4s軌道の2と3d軌道の6との合計8に係数2を乗じた16である。また、Vの価電子数は4s軌道の2と3d軌道の3との合計5である。また、Alの価電子数は3s軌道の2と3p軌道の1との合計3である。これらFe、V及びAlの価電子数の合計24が基本構造の化学式当たりの総価電子数である。
The total number of valence electrons per chemical formula of the basic structure of Fe 2 VAl is 24 by the following calculation. That is, the number of valence electrons of Fe is 16, which is obtained by multiplying a total of 8 of 2 of the 4s orbit and 6 of the 3d orbit by the
この基本構造に対し、Feの一部をCoで置換し、Vの一部をZrで置換した熱電変換材料は、一般式(Fe1-αCoα)2(V1-βZrβ)Alで表される化合物である。ここで、2α<βとすることで、総価電子数は24未満となり、p型熱電変換材料となる。また、2α>βとすることで、総価電子数は24を超え、n型熱電変換材料となる。 In contrast to this basic structure, a thermoelectric conversion material in which part of Fe is replaced by Co and part of V is replaced by Zr is represented by the general formula (Fe 1-α Co α ) 2 (V 1-β Zr β ) Al It is a compound represented by these. Here, by setting 2α <β, the total number of valence electrons is less than 24, and a p-type thermoelectric conversion material is obtained. Further, by setting 2α> β, the total number of valence electrons exceeds 24, and an n-type thermoelectric conversion material is obtained.
この熱電変換材料は以下のように製造される。まず、上記条件を満たすように、Fe、V、Al、Co及びZrの5種類の元素を秤量した。これら元素をアルゴンアークを用いて溶解し、ボタン状のインゴットを作製した。均質なインゴットを得るため、得られたインゴットを再溶解した。この再溶解を2回以上行い、均質なインゴットを得た。溶解前後での重量変化は0.1%以内であるため、溶解による組成の変化は無視できる程度であると仮定した。 This thermoelectric conversion material is manufactured as follows. First, five kinds of elements of Fe, V, Al, Co, and Zr were weighed so as to satisfy the above conditions. These elements were melted using an argon arc to produce a button-like ingot. In order to obtain a homogeneous ingot, the obtained ingot was redissolved. This re-dissolution was performed twice or more to obtain a homogeneous ingot. Since the change in weight before and after dissolution is within 0.1%, it was assumed that the change in composition due to dissolution was negligible.
総価電子数を23.93として作製したインゴットに対し、5×10-3Pa以下の高真空中で1273K×48hrの均質化処理を行い、短冊状、粉末及びブロック状の各測定形状に成型した。この後、真空中で1273K×1hrの歪取処理と、673K×4hrの規則化処理とを行った。こうして、試験例1の熱電変換材料を得た。 An ingot produced with a total valence electron number of 23.93 is homogenized at 1273 K x 48 hr in a high vacuum of 5 x 10 -3 Pa or less and molded into strips, powders, and blocks. did. Thereafter, a distortion removing process of 1273 K × 1 hr and a regularizing process of 673 K × 4 hr were performed in a vacuum. Thus, the thermoelectric conversion material of Test Example 1 was obtained.
[試験例2]
試験例2の熱電変換材料は、基本構造のFe2VAlに対し、Feの一部をCoで置換し、Vの一部をHfで置換したものである。他の条件は試験例1と同様とし、試験例2の熱電変換材料を得た。
[Test Example 2]
The thermoelectric conversion material of Test Example 2 is obtained by substituting a part of Fe with Co and a part of V with Hf with respect to Fe 2 VAl having a basic structure. The other conditions were the same as in Test Example 1, and the thermoelectric conversion material of Test Example 2 was obtained.
[評価方法]
試験例1、2の熱電変換材料について、以下の評価を行った。
[Evaluation methods]
The thermoelectric conversion materials of Test Examples 1 and 2 were evaluated as follows.
(X線回折)
各材料の構造を決定するため、上記方法で作製した粉末を用い、X線回折を行った。評価にはCuKα線を用いた。これらはFeを含む合金系であるため、バックグラウンドを除去する目的でモノクロメータを用いた。この結果、作製した材料の大部分はホイスラー構造を有していることがわかった。また、僅かな第2相の存在が確認された。
(X-ray diffraction)
In order to determine the structure of each material, X-ray diffraction was performed using the powder produced by the above method. CuKα rays were used for the evaluation. Since these are alloy systems containing Fe, a monochromator was used for the purpose of removing the background. As a result, it was found that most of the produced material had a Heusler structure. In addition, the presence of a slight second phase was confirmed.
(電気抵抗率の測定)
1×1.2×15mm3の短冊状試料を用い、直流四端子法にて電気抵抗率ρ(μΩm)を測定した。測定温度範囲は液体N2温度(77K)から1273Kまでである。77Kから室温までは自然昇温して測定を行った。室温から1273Kまでは、電気炉を用い、5×10-3Pa以下の真空雰囲気中で0.05K/secの昇温速度で測定を行った。
(Measurement of electrical resistivity)
The electrical resistivity ρ (μΩm) was measured by a DC four-terminal method using a 1 × 1.2 × 15 mm 3 strip sample. The measurement temperature range is from the liquid N 2 temperature (77K) to 1273K. From 77 K to room temperature, the temperature was naturally raised and the measurement was performed. From room temperature to 1273 K, an electric furnace was used, and measurement was performed at a heating rate of 0.05 K / sec in a vacuum atmosphere of 5 × 10 −3 Pa or less.
(ゼーベック係数の測定)
0.5×0.5×5.0mm3の試験片を用い、MMR−Technologies社製「SB−100」にて、ゼーベック係数S(μV/K)を90K〜400Kの温度範囲で測定した。
(Measurement of Seebeck coefficient)
Using a test piece of 0.5 × 0.5 × 5.0 mm 3 , the Seebeck coefficient S (μV / K) was measured in a temperature range of 90K to 400K with “SB-100” manufactured by MMR-Technologies.
試験例1の熱電変換材料((Fe0.985Co0.015)2(V0.9Zr0.1)Al)及び試験例2の熱電変換材料((Fe0.985Co0.015)2(V0.9Hf0.1)Al)について、温度とゼーベック係数との関係を図1に示し、温度と電気抵抗率との関係を図2に示す。 About the thermoelectric conversion material ((Fe 0.985 Co 0.015 ) 2 (V 0.9 Zr 0.1 ) Al) of Test Example 1 and the thermoelectric conversion material ((Fe 0.985 Co 0.015 ) 2 (V 0.9 Hf 0.1 ) Al) of Test Example 2 1 and the Seebeck coefficient are shown in FIG. 1, and the relationship between temperature and electrical resistivity is shown in FIG.
図1より、これらの熱電変換材料は未だ電気抵抗率が十分に低くはないことがわかる。また、図2より、これらの熱電変換材料は未だゼーベック係数が十分に大きくはないこともわかる。このため、これらの熱電変換材料の出力因子は十分に大きくない。具体的には、300Kにおいて、試験例1の熱電変換材料は0.06×10-3W/mK2、試験例2の熱電変換材料は0.86×10-3W/mK2に過ぎなかった。 FIG. 1 shows that these thermoelectric conversion materials are not yet sufficiently low in electrical resistivity. In addition, it can be seen from FIG. 2 that these thermoelectric conversion materials still do not have a sufficiently large Seebeck coefficient. For this reason, the output factor of these thermoelectric conversion materials is not sufficiently large. Specifically, at 300K, the thermoelectric conversion material of Test Example 1 is only 0.06 × 10 −3 W / mK 2 , and the thermoelectric conversion material of Test Example 2 is only 0.86 × 10 −3 W / mK 2. It was.
以上の試験結果から、Feの一部を元素Niで置換するとともに、Vの一部を元素Tiで置換した以下の熱電変換材料を検証した。 From the above test results, the following thermoelectric conversion materials in which part of Fe was replaced with element Ni and part of V was replaced with element Ti were verified.
[実施例]
実施例の熱電変換材料は、基本構造のFe2VAlに対し、Feの一部をNiで置換し、Vの一部をTiで置換したものである。Niの置換量αは0.005≦α≦0.125の範囲内で選択されており、Tiの置換量βは0.01≦β≦0.23の範囲内で選択されている。他の条件は試験例1と同様とし、実施例の熱電変換材料を得た。
[Example]
The thermoelectric conversion material of the example is obtained by substituting a part of Fe with Ni and a part of V with Ti with respect to Fe 2 VAl having a basic structure. The substitution amount α of Ni is selected within the range of 0.005 ≦ α ≦ 0.125, and the substitution amount β of Ti is selected within the range of 0.01 ≦ β ≦ 0.23. Other conditions were the same as in Test Example 1, and the thermoelectric conversion material of the example was obtained.
[比較例]
比較例はFe2VAlである。他の条件は試験例1と同様とし、比較例の基本構造を得た。
[Comparative example]
A comparative example is Fe 2 VAl. Other conditions were the same as in Test Example 1, and a basic structure of a comparative example was obtained.
[評価方法]
実施例の熱電変換材料及び比較例の基本構造について、上記と同様、X線回折、電気抵抗率の測定、ゼーベック係数の測定を行うとともに、以下の熱伝導率の測定、出力因子と性能指数の測定を行った。
[Evaluation methods]
About the thermoelectric conversion material of an Example and the basic structure of a comparative example, while performing X-ray diffraction, measurement of electrical resistivity, and measurement of Seebeck coefficient as described above, measurement of the following thermal conductivity, output factor and figure of merit Measurements were made.
(熱伝導率の測定)
室温での熱伝導率κ(W/mK)を比較定常法により測定した。試験片のサイズは3×3×3.5mm3であり、標準試料には試験片と同サイズのアルミナを用いた。
(Measurement of thermal conductivity)
The thermal conductivity κ (W / mK) at room temperature was measured by a comparative stationary method. The size of the test piece was 3 × 3 × 3.5 mm 3 , and alumina having the same size as the test piece was used as the standard sample.
(出力因子と性能指数)
熱電変換材料を評価する指数として、出力因子:P=S2/ρ及び性能指数:Z=S2/(ρκ)が挙げられる。ここで、Sはゼーベック係数、ρは電気抵抗率、κは熱伝導率である。これらの値は上記の各測定値とし、出力因子P(10-3W/mK2)及び性能指数Z(10-3/K)を求めた。
(Output factor and figure of merit)
As an index for evaluating the thermoelectric conversion material, there are an output factor: P = S 2 / ρ and a performance index: Z = S 2 / (ρκ). Here, S is the Seebeck coefficient, ρ is the electrical resistivity, and κ is the thermal conductivity. These values were taken as the above measured values, and the output factor P (10 −3 W / mK 2 ) and the figure of merit Z (10 −3 / K) were determined.
実施例の熱電変換材料((Fe0.985Ni0.015)2(V1-βTiβ)Al(β=0.03、0.06、0.10、0.15、0.20))について、温度と電気抵抗率との関係を図3に示し、温度とゼーベック係数との関係を図4に示す。 Regarding the thermoelectric conversion material of the example ((Fe 0.985 Ni 0.015 ) 2 (V 1 -β Ti β ) Al (β = 0.03, 0.06, 0.10, 0.15, 0.20)), the temperature 3 shows the relationship between the temperature and the electrical resistivity, and FIG. 4 shows the relationship between the temperature and the Seebeck coefficient.
図3より、実施例の熱電変換材料は、Tiの添加量が増加するに従って、800K以下の電気抵抗率が減少することがわかる。特にα=0.015、β=0.20となる熱電変換材料は、77Kでの電気抵抗率が約0.7μΩmと低い値を示した。また、この組成の熱電変換材料は、77Kから700Kまでは温度上昇に伴って電気抵抗率が上昇し、半導体的なものから金属的な挙動を示した。また、図4に示すように、実施例の熱電変換材料は、Tiの添加量が0.1でゼーベック係数が最大の約100μV/Kになっている。この値は、p型特性を示す(Fe1-αIrα)2(V1-βTiβ)Alの最大ゼーベック係数である90μV/Kを上回っている。 From FIG. 3, it can be seen that the electrical resistivity of the thermoelectric conversion material of the example decreases to 800K or less as the addition amount of Ti increases. In particular, the thermoelectric conversion material in which α = 0.015 and β = 0.20 showed a low electric resistivity of about 0.7 μΩm at 77K. In addition, the thermoelectric conversion material having this composition increased in electrical resistivity with increasing temperature from 77K to 700K, and showed a semiconductor-like to metallic behavior. Further, as shown in FIG. 4, the thermoelectric conversion material of the example has an addition amount of Ti of 0.1 and a Seebeck coefficient of about 100 μV / K, which is the maximum. This value exceeds 90 μV / K which is the maximum Seebeck coefficient of (Fe 1−α Ir α ) 2 (V 1−β Ti β ) Al exhibiting p-type characteristics.
実施例の熱電変換材料((Fe0.975Ni0.025)2(V1-βTiβ)Al(β=0.10、0.14、0.19))について、温度と電気抵抗率との関係を図5に示し、温度とゼーベック係数との関係を図6に示す。 Regarding the thermoelectric conversion material of the example ((Fe 0.975 Ni 0.025 ) 2 (V 1 -β Ti β ) Al (β = 0.10, 0.14, 0.19)), the relationship between temperature and electrical resistivity is FIG. 6 shows the relationship between temperature and Seebeck coefficient.
図5より、実施例の熱電変換材料は、Tiの添加量が増加するに従って、やはり800K以下の電気抵抗率が減少することがわかる。また、図6に示すように、実施例の熱電変換材料は、Tiの添加量が0.1でゼーベック係数が最大の約100μV/Kになっている。 FIG. 5 shows that the thermoelectric conversion material of the example also has an electrical resistivity of 800 K or less that decreases as the amount of Ti increases. Further, as shown in FIG. 6, the thermoelectric conversion material of the example has an addition amount of Ti of 0.1 and a Seebeck coefficient of about 100 μV / K which is the maximum.
実施例の熱電変換材料((Fe0.965Ni0.035)2(V1-βTiβ)Al(β=0.14、0.18、0.23))について、温度と電気抵抗率との関係を図7に示し、温度とゼーベック係数との関係を図8に示す。 Regarding the thermoelectric conversion material of the example ((Fe 0.965 Ni 0.035 ) 2 (V 1 -β Ti β ) Al (β = 0.14, 0.18, 0.23)), the relationship between temperature and electrical resistivity is FIG. 8 shows the relationship between the temperature and the Seebeck coefficient.
図7より、実施例の熱電変換材料は、Tiの添加量が増加するに従って、やはり800K以下の電気抵抗率が減少していることがわかる。また、図8に示すように、実施例の熱電変換材料は、Tiの添加量が0.18でゼーベック係数が最大になっている。しかし、その絶対値は前述のα=0.015、0.025の熱電変換材料よりも小さい。 As can be seen from FIG. 7, the thermoelectric conversion material of the example also has an electrical resistivity of 800K or lower as the amount of Ti increases. Moreover, as shown in FIG. 8, the thermoelectric conversion material of the Example has the maximum Seebeck coefficient when the addition amount of Ti is 0.18. However, the absolute value is smaller than the above-described thermoelectric conversion materials of α = 0.015 and 0.025.
実施例の熱電変換材料((Fe1-αNiα)2(V0.97Ti0.03)Al(α=0.015、0.025、0.050、0.075、0.100、0.125))について、温度と電気抵抗率との関係を図9に示し、温度とゼーベック係数との関係を図10に示す。 Thermoelectric Conversion Material of Example ((Fe 1-α Ni α ) 2 (V 0.97 Ti 0.03 ) Al (α = 0.015, 0.025, 0.050, 0.075, 0.100, 0.125) 9), the relationship between temperature and electrical resistivity is shown in FIG. 9, and the relationship between temperature and Seebeck coefficient is shown in FIG.
図10より、実施例の熱電変換材料は、α=0.025〜0.050の間でゼーベック係数の符号が反転することがわかる。 FIG. 10 shows that the sign of the Seebeck coefficient in the thermoelectric conversion material of the example is reversed between α = 0.025 and 0.050.
以上の結果に基づき、実施例の熱電変換材料((Fe1-αNiα)2(V1-βTiβ)Al)(α=0.005、0.015、0.025、0.035、β=0.01、0.03))について、300Kでの熱伝導率の総価電子数依存性を求めた。この結果を図11に示す。 Based on the above results, the thermoelectric conversion material of the example ((Fe 1-α Ni α ) 2 (V 1-β Ti β ) Al) (α = 0.005, 0.015, 0.025, 0.035) , Β = 0.01, 0.03)), the dependence of the thermal conductivity at 300 K on the total valence number was determined. The result is shown in FIG.
図11より、実施例の熱電変換材料は、元素Ni、Tiの添加量の増加に従って熱伝導率が減少することがわかる。また、元素Tiよりも、元素Niの方が熱伝導率の低減には有効である。 From FIG. 11, it can be seen that the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material of the example decreases as the addition amount of the elements Ni and Ti increases. Further, the element Ni is more effective in reducing the thermal conductivity than the element Ti.
また、実施例の熱電変換材料((Fe1-αNiα)2(V1-βTiβ)Al)(α=0.015、0.025、0.035、β=0.01、0.03))について、300Kでのゼーベック係数の総価電子数依存性を求めた。この結果を図12に示す。 Moreover, the thermoelectric conversion material ((Fe 1-α Ni α ) 2 (V 1-β Ti β ) Al) (α = 0.015, 0.025, 0.035, β = 0.01, 0 0.03)), the dependence of the Seebeck coefficient at 300K on the total valence number was determined. The result is shown in FIG.
図12より、実施例の熱電変換材料は、n=24.00付近でゼーベック係数がp型としての最大値を示す。また、n=24.07〜24.15でp型、n型の特性が反転している。n型熱電変換材料では、n=24.86まで総価電子数を増加させても最大値には達していない。 From FIG. 12, the thermoelectric conversion material of an Example shows the maximum value as Seebeck coefficient p-type at n = 24.00 vicinity. In addition, the characteristics of p-type and n-type are reversed at n = 24.007 to 24.15. In the n-type thermoelectric conversion material, the maximum value is not reached even when the total number of valence electrons is increased to n = 24.86.
実施例の熱電変換材料((Fe1-αNiα)2(V1-βTiβ)Al(α=0.015、0.025、0.035、β=0.03))及び比較例の基本構造(Fe2VAl)について、300Kでの電気抵抗率の総価電子数依存性を求めた。この結果を図13に示す。 Thermoelectric conversion material ((Fe 1-α Ni α ) 2 (V 1-β Ti β ) Al (α = 0.015, 0.025, 0.035, β = 0.03)) and comparative example For the basic structure (Fe 2 VAl), the dependence of the electrical resistivity at 300 K on the total valence number was determined. The result is shown in FIG.
図13より、実施例の熱電変換材料は、n=24.17付近で電気抵抗率が最大を示す。この点を中心に総価電子数が変化するにつれて電気抵抗率が減少している。 From FIG. 13, the thermoelectric conversion material of an Example shows the maximum electrical resistivity in the vicinity of n = 24.17. With this point at the center, the electrical resistivity decreases as the total number of valence electrons changes.
実施例の熱電変換材料((Fe1-αNiα)2(V1-βTiβ)Al)(α=0.015、0.035、β=0.03))及び比較例の基本構造(Fe2VAl)について、300Kでの出力因子の総価電子数依存性を求めた。この結果を図14に示す。 Example Thermoelectric Conversion Material ((Fe 1-α Ni α ) 2 (V 1-β Ti β ) Al) (α = 0.015, 0.035, β = 0.03)) and Basic Structure of Comparative Example For (Fe 2 VAl), the dependence of the output factor at 300 K on the total valence number was determined. The result is shown in FIG.
図14より、実施例の熱電変換材料は、n=23.96付近でp型としての出力因子が最大の約2.2×10-3W/mK2を示す。この出力因子は実用に用いられているBi−Te系p型熱電変換材料に匹敵する値である。また、n型としての出力因子はp型熱電変換材料と比べて低い。 From FIG. 14, the thermoelectric conversion material of an Example shows about 2.2 * 10 < -3 > W / mK < 2 > where the output factor as a p-type is the maximum at n = 23.96 vicinity. This output factor is a value comparable to a Bi-Te p-type thermoelectric conversion material used in practice. Moreover, the output factor as an n-type is low compared with a p-type thermoelectric conversion material.
実施例の熱電変換材料((Fe1-αNiα)2(V1-βTiβ)Al(α=0.015、0.035、β=0.03))及び比較例の基本構造(Fe2VAl)について、300Kでの性能指数の総価電子数依存性を求めた。この結果を図15に示す。 Example thermoelectric conversion material ((Fe 1-α Ni α ) 2 (V 1-β Ti β ) Al (α = 0.015, 0.035, β = 0.03)) and basic structure of comparative example ( For Fe 2 VAl), the dependence of the figure of merit at 300 K on the total valence number was determined. The result is shown in FIG.
図15より、実施例の熱電変換材料は、n=23.96付近でp型としての性能指数が最大を示す。また、n型としての性能指数はp型熱電変換材料に比べて低い。 From FIG. 15, the thermoelectric conversion material of an Example shows the maximum figure of merit as p-type around n = 23.96. Moreover, the figure of merit as n-type is lower than that of p-type thermoelectric conversion material.
そして、実施例の熱電変換材料は、貴金属であるIrを用いておらず、安価で無毒な元素の組み合わせからなる。 And the thermoelectric conversion material of an Example does not use Ir which is a noble metal, but consists of a combination of an inexpensive and nontoxic element.
したがって、実施例の熱電変換材料によれば、より良好な発電効率を発揮可能であるとともに、従来の熱電変換材料と比べ、大幅なコスト削減が可能となる。 Therefore, according to the thermoelectric conversion material of an Example, while being able to exhibit more favorable power generation efficiency, compared with the conventional thermoelectric conversion material, drastic cost reduction is attained.
本発明は、パソコンのCPUや自動車のエンジン等、比較的低温の廃熱を利用して発電装置等に利用可能である。 The present invention can be used for a power generation device or the like using waste heat at a relatively low temperature such as a CPU of a personal computer or an automobile engine.
Claims (2)
Feに替えて置換する他の元素がNiであり、
Vに替えて置換する他の元素がTiであり、
元素Ni及び元素Tiの置換量が一般式(Fe1-αNiα)2(V1-βTiβ)Alを満たす0<α<1及び0<β<1の範囲内で調整され、かつ化学式当たりの総価電子数が24未満、23.5以上になるようにしてp型に制御されていることを特徴とする熱電変換材料。 With respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure and a total number of valence electrons of 24 per chemical formula, at least a part of each of Fe and V is substituted with other elements,
The other element that substitutes for Fe is Ni,
The other element that substitutes for V is Ti,
The amount of substitution of element Ni and element Ti is adjusted within the range of 0 <α <1 and 0 <β <1 satisfying the general formula (Fe 1-α Ni α ) 2 (V 1-β Ti β ) Al, and A thermoelectric conversion material characterized in that the total number of valence electrons per chemical formula is less than 24 and is controlled to be p-type so as to be 23.5 or more.
Feに替えて置換する他の元素がNiであり、
Vに替えて置換する他の元素がTiであり、
元素Ni及び元素Tiの置換量が一般式(Fe1-αNiα)2(V1-βTiβ)Alを満たす0<α<1及び0<β<1の範囲内で調整され、かつ化学式当たりの総価電子数が24を超え、24.5以下になるようにしてn型に制御されていることを特徴とする熱電変換材料。 With respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure and a total number of valence electrons of 24 per chemical formula, at least a part of each of Fe and V is substituted with other elements,
The other element that substitutes for Fe is Ni,
The other element that substitutes for V is Ti,
The amount of substitution of element Ni and element Ti is adjusted within the range of 0 <α <1 and 0 <β <1 satisfying the general formula (Fe 1-α Ni α ) 2 (V 1-β Ti β ) Al, and A thermoelectric conversion material characterized in that the total number of valence electrons per chemical formula exceeds 24 and is controlled to be n-type so as to be 24.5 or less.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011233797A (en) * | 2010-04-29 | 2011-11-17 | Daido Steel Co Ltd | Manufacturing method of heusler-type iron-based thermoelectric material powder and heusler-type iron-based thermoelectric material |
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2008
- 2008-02-08 JP JP2008028400A patent/JP2009188284A/en active Pending
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