JP2010141096A - Thermoelectric composite material - Google Patents

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Abstract

【課題】充分に長く、高温側と低温側とで熱移動が起こりにくい線状の熱電複合材料を提供すること。
【解決手段】金属酸化物マトリックス中に熱電材料の芯が複数埋設されている線状の熱電複合材料であり、前記熱電材料の芯が金属酸化物または半金属であり、前記熱電材料の芯の平均直径が5nm以上60nm以下であることを特徴とする熱電複合材料。
【選択図】図2
To provide a linear thermoelectric composite material that is sufficiently long and hardly causes heat transfer between a high temperature side and a low temperature side.
A linear thermoelectric composite material in which a plurality of cores of a thermoelectric material are embedded in a metal oxide matrix, the core of the thermoelectric material is a metal oxide or a semimetal, and the core of the thermoelectric material core A thermoelectric composite material having an average diameter of 5 nm to 60 nm.
[Selection] Figure 2

Description

本発明は、マトリックス中に熱電材料の芯が複数埋設されている熱電複合材料に関するものである。   The present invention relates to a thermoelectric composite material in which a plurality of cores of a thermoelectric material are embedded in a matrix.

熱電材料は、ゼーベック効果を利用して温度差から発電を行う発電装置や、ペルチェ効果を利用して冷却または加熱を行う装置に用いられている。   Thermoelectric materials are used in power generators that generate power from a temperature difference using the Seebeck effect and devices that cool or heat using the Peltier effect.

熱電材料の熱電変換効率を示す指標として、下記式(1)で表される無次元熱電性能指数ZTがある:
ZT=S2σT/κ ・・・ (1)
〔式(1)中、Sはゼーベック係数(S=−ΔV/ΔT、ΔV=熱起電力、ΔT=温度差)であり、σは電気伝導率であり、κは熱伝導率であり、Tは温度である。〕
As an index indicating the thermoelectric conversion efficiency of the thermoelectric material, there is a dimensionless thermoelectric performance index ZT represented by the following formula (1):
ZT = S 2 σT / κ (1)
[In Formula (1), S is a Seebeck coefficient (S = −ΔV / ΔT, ΔV = thermoelectromotive force, ΔT = temperature difference), σ is electrical conductivity, κ is thermal conductivity, T Is the temperature. ]

現在の熱電材料のZTは、最も高いものでも1程度であり、さらに高いZTを示す(即ち熱電変換効率が高い)熱電材料が求められている。これに関して、キャリアのド・ブロイ波長と同程度以下(ナノサイズ)にまで熱電材料のサイズを低減することで、量子効果が発現し、ZTが飛躍的に向上することが知られている。   The ZT of the current thermoelectric material is about 1 at the highest, and there is a demand for a thermoelectric material that exhibits a higher ZT (that is, a high thermoelectric conversion efficiency). In this regard, it is known that by reducing the size of the thermoelectric material to the same degree or less (nanosize) as the carrier de Broglie wavelength, the quantum effect is manifested and ZT is dramatically improved.

例えば特許文献1は、その実施例等で、シリコン、ゲルマニウムまたはこれらの酸化物のマトリックス膜中に熱電材料であるBi2Te3製のナノワイヤ(平均直径10nm以下)が複数埋設されている熱電複合材料を開示している。 For example, Patent Document 1 is a thermoelectric composite in which a plurality of nanowires (average diameter of 10 nm or less) made of Bi 2 Te 3 which is a thermoelectric material are embedded in a matrix film of silicon, germanium, or an oxide thereof in an example. Disclosed material.

また特許文献2は、その特許請求の範囲等で、樹脂マトリックスに複数埋設したカーボンナノチューブ中に熱電材料のナノワイヤが充填されている熱電複合材料、及びこれを電極に接続した熱電変換素子を開示している。
特開2004−193526号公報 特開2007−59647号公報
Further, Patent Document 2 discloses a thermoelectric composite material in which a plurality of carbon nanotubes embedded in a resin matrix are filled with nanowires of thermoelectric material, and a thermoelectric conversion element in which this is connected to an electrode. ing.
JP 2004-193526 A JP 2007-59647 A

熱電材料のゼーベック効果を利用して有効に発電するためには、高温側と低温側との間に充分な温度差があることが必要である。しかし熱電材料の長さが不充分であると、熱電材料を挟んだ高温側から低温側に熱移動が起こり、温度差が減少してしまう。そこで温度差を有効利用して効率的に発電するためには、充分な長さの熱電材料が必要である。   In order to effectively generate power using the Seebeck effect of the thermoelectric material, it is necessary that there is a sufficient temperature difference between the high temperature side and the low temperature side. However, if the length of the thermoelectric material is insufficient, heat transfer occurs from the high temperature side across the thermoelectric material to the low temperature side, and the temperature difference decreases. Therefore, a thermoelectric material having a sufficient length is necessary to efficiently generate power by effectively using the temperature difference.

しかし特許文献1の方法では、アルミニウム−シリコンまたはゲルマニウム膜を成膜してマトリックスを形成するため、充分な厚さのマトリックスおよび充分な長さの熱電材料ナノワイヤを製造できない。特許文献1の実施例では、200nmの厚さの混合膜しか製造しておらず、その結果、熱電材料ナノワイヤの長さは200nmでしかない。なお特許文献1の方法でも成膜時間を長くすれば、充分な厚さのマトリックスおよび充分な長さの熱電材料ナノワイヤを製造できると理論上考えられるが、そのような工業生産は実際上困難である。   However, in the method of Patent Document 1, since a matrix is formed by forming an aluminum-silicon or germanium film, a sufficiently thick matrix and a sufficiently long thermoelectric material nanowire cannot be manufactured. In the example of Patent Document 1, only a mixed film having a thickness of 200 nm is manufactured. As a result, the length of the thermoelectric material nanowire is only 200 nm. Although it is theoretically considered that a sufficiently thick matrix and a sufficiently long thermoelectric material nanowire can be manufactured by increasing the film formation time even in the method of Patent Document 1, such industrial production is practically difficult. is there.

また特許文献2は、熱電複合材料および熱電変換素子の製造方法を記載しているが、実際に熱電複合材料および熱電変換素子を製造し、その特性を評価した実施例は記載されていない。なお特許文献2には「配向したカーボンナノチューブを形成できるため、mmオーダー厚の実用的なナノワイヤを備えた熱電変換素子を得ることができる。」と記載されている。しかし特許文献2には一般的なカーボンナノチューブの製造方法が記載されているだけで、mmオーダーのカーボンナノチューブを製造するための具体的方法は記載されていない。   Moreover, although patent document 2 has described the manufacturing method of the thermoelectric composite material and the thermoelectric conversion element, the Example which actually manufactured the thermoelectric composite material and the thermoelectric conversion element and evaluated the characteristic is not described. Patent Document 2 states that “Oriented carbon nanotubes can be formed, so that a thermoelectric conversion element having practical nanowires with a thickness on the order of mm can be obtained.” However, Patent Document 2 only describes a general method for producing carbon nanotubes, and does not describe a specific method for producing mm-order carbon nanotubes.

本発明は上記のような事情に鑑みなされたものであって、その目的は、充分に長く、高温側と低温側とで熱移動が起こりにくい線状の熱電複合材料を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a linear thermoelectric composite material that is sufficiently long and hardly causes heat transfer between a high temperature side and a low temperature side.

本発明の熱電複合材料は、金属酸化物マトリックス中に金属酸化物または半金属の芯が複数埋設されている線状の熱電複合材料であって、前記熱電材料の芯の平均直径が5nm以上60nm以下であることを特徴とする。   The thermoelectric composite material of the present invention is a linear thermoelectric composite material in which a plurality of metal oxide or semimetal cores are embedded in a metal oxide matrix, and the average diameter of the cores of the thermoelectric material is 5 nm to 60 nm. It is characterized by the following.

本発明の好ましい実施態様では、前記芯は亜鉛または亜鉛合金の酸化物である。亜鉛合金の酸化物を用いる場合は、合金元素として、好ましくはAl、Mg、Ti、Ga、Ge、In、Sn、As、SbおよびNbよりなる群から選ばれる少なくとも1種を0.01質量%以上5質量%以下の合計量で含有する。前記亜鉛または亜鉛合金の酸化物の結晶のc面が、線状熱電複合材料の長手方向に配向していることが好ましい。この実施態様において、前記の金属酸化物マトリックスと熱電材料の芯との間に、鉛または鉛合金の酸化物層が存在していても良い。   In a preferred embodiment of the present invention, the core is zinc or a zinc alloy oxide. When an oxide of a zinc alloy is used, the alloy element is preferably 0.01% by mass of at least one selected from the group consisting of Al, Mg, Ti, Ga, Ge, In, Sn, As, Sb and Nb. It is contained in a total amount of 5% by mass or less. The c-plane of the zinc or zinc alloy oxide crystal is preferably oriented in the longitudinal direction of the linear thermoelectric composite material. In this embodiment, an oxide layer of lead or a lead alloy may be present between the metal oxide matrix and the core of the thermoelectric material.

本発明の好ましい別の実施態様では、芯はビスマスまたはビスマス合金である。この実施態様において、熱電材料の芯が亜鉛粉末と、ビスマスまたはビスマス合金の粉末を含むものであり、前記粉末の合計を100質量部としたとき、亜鉛粉末量が5質量部以上25質量部以下であることが好ましい。また前記の金属酸化物マトリックスと熱電材料の芯との間に、亜鉛または亜鉛合金の酸化物層が存在していても良い。   In another preferred embodiment of the invention, the core is bismuth or a bismuth alloy. In this embodiment, the core of the thermoelectric material contains zinc powder and bismuth or bismuth alloy powder, and when the total amount of the powder is 100 parts by mass, the amount of zinc powder is 5 parts by mass or more and 25 parts by mass or less. It is preferable that In addition, an oxide layer of zinc or a zinc alloy may exist between the metal oxide matrix and the core of the thermoelectric material.

本発明の熱電複合材料において、前記金属酸化物マトリックスが、銅または銅合金の酸化物であることが好ましい。   In the thermoelectric composite material of the present invention, the metal oxide matrix is preferably an oxide of copper or a copper alloy.

本発明の線状の熱電複合材料からは、充分な厚さの熱電素子を製造できる。このような熱電素子は、高温側から低温側への熱移動を防ぎ、例えば自動車、ゴミ焼却炉、工場プラントなどから出る廃熱を有効利用して効率よく発電できる。   A thermoelectric element having a sufficient thickness can be produced from the linear thermoelectric composite material of the present invention. Such a thermoelectric element prevents heat transfer from the high temperature side to the low temperature side, and can efficiently generate power by effectively using waste heat from, for example, an automobile, a garbage incinerator, a factory plant, and the like.

本発明の熱電複合材料は、例えば特許文献1に記載されているような膜状ではなく、線状であり、充分な長さを有することを特徴の1つとする。このような線状熱電複合材料を、適切な長さに切断して並べて接続することによって、充分な厚さの熱電素子を製造できる。そのような熱電素子は、高温側と低温側との熱移動を抑制し、効率よく発電できる。   One of the characteristics of the thermoelectric composite material of the present invention is that it is not a film shape described in, for example, Patent Document 1, but a linear shape and a sufficient length. A thermoelectric element having a sufficient thickness can be manufactured by cutting and connecting these linear thermoelectric composite materials to appropriate lengths. Such a thermoelectric element can efficiently generate power by suppressing heat transfer between the high temperature side and the low temperature side.

本発明の熱電複合材料は、そのマトリックスが金属酸化物であることを特徴の1つとする。金属酸化物は、金属に比べて熱伝導率が低く、高温側から低温側への熱移動を抑制できる。マトリックスは、好ましくはニッケルまたは銅の酸化物、またはこれらの合金の酸化物であり、より好ましくは銅または銅合金の酸化物である。その理由は、(1)ある程度厚い金属酸化物層が形成でき、(2)200℃程度以下の温度で中間焼鈍が可能であるため縮径加工を続けて行うことができるからである。銅合金としては、Sn及び/又はZnなどの微量成分を含有するものなどが挙げられる。   One feature of the thermoelectric composite material of the present invention is that its matrix is a metal oxide. A metal oxide has a lower thermal conductivity than a metal and can suppress heat transfer from a high temperature side to a low temperature side. The matrix is preferably an oxide of nickel or copper, or an oxide of these alloys, more preferably an oxide of copper or a copper alloy. The reason is that (1) a metal oxide layer that is thick to some extent can be formed, and (2) intermediate annealing can be performed at a temperature of about 200 ° C. or lower, so that the diameter reduction can be continued. Examples of the copper alloy include those containing trace components such as Sn and / or Zn.

また本発明の熱電複合材料は、熱電材料の芯の平均直径が5nm以上60nm以下であることを特徴の1つとする。この平均直径は、好ましくは10nm以上30nm以下である。熱電材料の芯の平均直径が60nm以下であれば、量子効果によるZTの飛躍的向上が期待できる。なお本発明の線状の熱電複合材料は、後述するように縮径加工を経る製造方法で製造することができる。しかし断線させずに、芯の平均直径を5nm未満にまで縮径加工することは困難である。   One feature of the thermoelectric composite material of the present invention is that the average diameter of the core of the thermoelectric material is 5 nm or more and 60 nm or less. This average diameter is preferably 10 nm or more and 30 nm or less. If the average diameter of the core of the thermoelectric material is 60 nm or less, a dramatic improvement in ZT due to the quantum effect can be expected. In addition, the linear thermoelectric composite material of this invention can be manufactured with the manufacturing method which passes through a diameter reduction process so that it may mention later. However, it is difficult to reduce the average diameter of the core to less than 5 nm without disconnection.

熱電材料芯の平均直径は、100本以上の熱電材料芯を無作為に選び、各芯の最大直径を可算平均して求める。各芯の最大直径は、高分解能走査電子顕微鏡や透過電子顕微鏡による断面写真から測定できる。   The average diameter of the thermoelectric material core is obtained by randomly selecting 100 or more thermoelectric material cores and counting the maximum diameter of each core. The maximum diameter of each core can be measured from a cross-sectional photograph taken with a high-resolution scanning electron microscope or a transmission electron microscope.

本発明の熱電複合材料は、(1)線状であり、(2)マトリックスが金属酸化物であるため熱伝導率が低く、(3)さらに熱電材料芯の平均直径が、量子効果が期待できるナノサイズであるため優れたZTを示すことができる。本発明の熱電複合材料のZTは、好ましくは5以上、より好ましくは6以上、さらに好ましくは7以上である。   The thermoelectric composite material of the present invention is (1) linear, (2) low thermal conductivity because the matrix is a metal oxide, and (3) the average diameter of the thermoelectric material core can be expected to have a quantum effect. Since it is nano-sized, it can exhibit excellent ZT. ZT of the thermoelectric composite material of the present invention is preferably 5 or more, more preferably 6 or more, and further preferably 7 or more.

本発明の熱電複合材料では、金属酸化物系の熱電材料、及び半金属系の熱電材料のいずれも使用できる。以下では、熱電材料として金属酸化物を用いるもの、及び半金属を用いるものを順に説明する。   In the thermoelectric composite material of the present invention, any of a metal oxide thermoelectric material and a semimetal thermoelectric material can be used. Below, what uses a metal oxide as a thermoelectric material and what uses a semimetal are demonstrated in order.

〈熱電材料が金属酸化物である熱電複合材料〉
金属酸化物系の熱電材料として、亜鉛または亜鉛合金の酸化物が代表的である。前記亜鉛合金としては、Al、Mg、Ti、Ga、Ge、In、Sn、As、SbおよびNbよりなる群から選ばれる少なくとも1種(特にAl)を0.01質量%以上5質量%以下の合計量で含有するものが好ましい。このような亜鉛合金の酸化物は、より高いZTを示す。Al等の合金成分の合計量が0.01質量%未満であると、ZT向上効果が充分に発揮されない。一方、この合計量が5質量%を超えると、亜鉛や亜鉛酸化物に対してAl等が合金化されない。
<Thermoelectric composite material where the thermoelectric material is a metal oxide>
As the metal oxide-based thermoelectric material, an oxide of zinc or a zinc alloy is typical. As said zinc alloy, 0.01 mass% or more and 5 mass% or less of at least 1 type (especially Al) chosen from the group which consists of Al, Mg, Ti, Ga, Ge, In, Sn, As, Sb, and Nb is included. What is contained in a total amount is preferable. Such zinc alloy oxides exhibit higher ZT. When the total amount of alloy components such as Al is less than 0.01% by mass, the effect of improving ZT is not sufficiently exhibited. On the other hand, when the total amount exceeds 5% by mass, Al or the like is not alloyed with respect to zinc or zinc oxide.

亜鉛または亜鉛合金の酸化物を熱電材料として用いる場合、その結晶のc面が、線状熱電複合材料の長手方向に配向していることが好ましい。このc面に垂直な方向の熱伝導率が低いため、c面が長手方向に配向している熱電複合材料は、さらに優れたZTを示す。   When zinc or a zinc alloy oxide is used as the thermoelectric material, the c-plane of the crystal is preferably oriented in the longitudinal direction of the linear thermoelectric composite material. Since the thermal conductivity in the direction perpendicular to the c-plane is low, the thermoelectric composite material in which the c-plane is oriented in the longitudinal direction exhibits a further excellent ZT.

ここで「c面が長手方向に配向している」とは、f=(P−P0)/(1−P0)≧0.90(前記式中、f:Lotgering factor、P=(ΣI00c)/(ΣIhkl)、I00c:c面からのX線回折強度、Ihkl:(hkl)面からのX線回折強度、P0:ランダム配向の場合の強度比)ことを指し、例えば線状熱電複合材料の横断面を試料面としてθ−2θ法のX線回折を行うことで判定することができる。 Here, “the c-plane is oriented in the longitudinal direction” means f = (P−P 0 ) / (1−P 0 ) ≧ 0.90 (where, f: Lugging factor, P = (ΣI 00c ) / (ΣI hkl ), I 00c : X-ray diffraction intensity from c-plane, I hkl : X-ray diffraction intensity from (hkl) plane, P 0 : Intensity ratio in the case of random orientation) The determination can be made by performing X-ray diffraction by the θ-2θ method using the cross section of the linear thermoelectric composite material as the sample surface.

亜鉛または亜鉛合金の酸化物である熱電材料芯と金属酸化物マトリックスとの間に鉛または鉛合金の酸化物層が存在する熱電複合材料が好ましい。このような構成の熱電複合材料は、後述する製造方法において、マトリックス金属(例えば銅)と亜鉛または亜鉛合金との間で金属間化合物(例えば銅−亜鉛金属間化合物)が形成されず、優れたZTを示すことができる。   A thermoelectric composite material in which an oxide layer of lead or lead alloy exists between a thermoelectric material core that is an oxide of zinc or zinc alloy and a metal oxide matrix is preferable. The thermoelectric composite material having such a configuration is excellent in that the intermetallic compound (eg, copper-zinc intermetallic compound) is not formed between the matrix metal (eg, copper) and zinc or the zinc alloy in the manufacturing method described later. ZT can be indicated.

〈熱電材料が半金属である熱電複合材料〉
電子のエネルギー準位について価電子帯と伝導帯が一部重なっている物質は一般的に半金属と呼ばれている。半金属系の熱電材料として、ビスマスまたはビスマス合金が代表的である。ビスマス合金としては、Bi2Te3、Be2(Te,Se)3、Bi88Sb12などが知られている。また、ビスマスまたはビスマス合金のほか、PbTe、Si、Ge、SiGeなども使用することができる。
<Thermoelectric composite material whose thermoelectric material is metalloid>
A substance in which the valence band and the conduction band partially overlap each other with respect to the energy level of an electron is generally called a semimetal. As the metalloid thermoelectric material, bismuth or a bismuth alloy is typical. As bismuth alloys, Bi 2 Te 3 , Be 2 (Te, Se) 3 , Bi 88 Sb 12 and the like are known. In addition to bismuth or a bismuth alloy, PbTe, Si, Ge, SiGe, or the like can also be used.

熱電材料の芯が亜鉛粉末とビスマスまたはビスマス合金の粉末で構成されたものであり、前記粉末の合計を100質量部としたとき、亜鉛粉末量が5質量部以上25質量部以下であることが好ましい。前記亜鉛粉末量は、より好ましくは10質量部以上20質量部以下である。なおこの場合、熱電材料の芯には亜鉛粉末とビスマスまたはビスマス合金の粉末とが混合した状態で存在する。   The core of the thermoelectric material is composed of zinc powder and powder of bismuth or a bismuth alloy, and when the total of the powder is 100 parts by mass, the amount of zinc powder may be 5 parts by mass or more and 25 parts by mass or less. preferable. The amount of the zinc powder is more preferably 10 parts by mass or more and 20 parts by mass or less. In this case, the core of the thermoelectric material exists in a mixed state of zinc powder and bismuth or bismuth alloy powder.

本発明の線状の熱電複合材料は、後述するように縮径加工を経て製造することができる。しかしビスマスまたはビスマス合金は冷間加工性が乏しく、縮径加工の際に断線等の問題が発生し得る。そこで金属マトリックスの穴にビスマスまたはビスマス合金の粉末を充填する際、潤滑剤として亜鉛粉末も添加してスタック材を形成し、これを縮径加工すれば、断線等の問題を回避して、熱電複合材料およびその前駆体を効率よく製造できる。この亜鉛量が5質量部未満であると、潤滑剤の作用が充分に発揮されない。一方、亜鉛量が25質量部を超えると、熱電材料としてのビスマスの働きが阻害される。   The linear thermoelectric composite material of the present invention can be manufactured through a diameter reduction process as described later. However, bismuth or a bismuth alloy has poor cold workability, and problems such as disconnection may occur during diameter reduction processing. Therefore, when filling the holes in the metal matrix with bismuth or bismuth alloy powder, zinc powder is also added as a lubricant to form a stack material, and if this is reduced in diameter, problems such as disconnection can be avoided and thermoelectric power can be avoided. A composite material and its precursor can be produced efficiently. When the amount of zinc is less than 5 parts by mass, the effect of the lubricant is not sufficiently exhibited. On the other hand, when the amount of zinc exceeds 25 parts by mass, the function of bismuth as a thermoelectric material is inhibited.

ビスマスまたはビスマス合金である熱電材料芯と金属酸化物マトリックスとの間に亜鉛または亜鉛合金の酸化物層が存在する熱電複合材料が好ましい。このような構成の熱電複合材料は、後述する製造方法において、熱電材料であるビスマスまたはビスマス合金が酸化されず、優れたZTを示すことができる。   A thermoelectric composite material in which an oxide layer of zinc or zinc alloy exists between a thermoelectric material core that is bismuth or a bismuth alloy and a metal oxide matrix is preferable. The thermoelectric composite material having such a configuration can exhibit excellent ZT because the thermoelectric material bismuth or bismuth alloy is not oxidized in the manufacturing method described later.

〈熱電複合材料の製造例〉
本発明の線状の熱電複合材料は、(1)金属マトリックスの穴に金属マトリックスとは異なる金属または半金属の芯を複数埋設してスタック材を形成し、前記スタック材を縮径加工する工程、および(2)前記縮径加工したスタック材を酸化する工程を含む方法で製造できる(以下、この方法を「本発明の製造方法」と略称することがある)。特許文献1のような成膜技術ではなく、縮径加工を用いることによって、線状熱電複合材料を充分な生産速度および歩留まりで効率よく製造できる。以下、本発明の製造方法について順に説明する。なお、本発明において「前駆体」という場合は、酸化工程前の状態のスタック材を指すものとする。また、金属マトリックス中に熱電材料となる金属または半金属の芯を複数埋設したものは、縮径加工の前であっても後であっても「スタック材」と記載する。
<Production example of thermoelectric composite material>
The linear thermoelectric composite material of the present invention includes (1) a step of embedding a plurality of metal or semi-metal cores different from the metal matrix in the holes of the metal matrix to form a stack material, and reducing the diameter of the stack material And (2) It can be manufactured by a method including a step of oxidizing the stack material subjected to diameter reduction processing (hereinafter, this method may be abbreviated as “the manufacturing method of the present invention”). The linear thermoelectric composite material can be efficiently manufactured at a sufficient production rate and yield by using a diameter reducing process instead of the film forming technique as in Patent Document 1. Hereafter, the manufacturing method of this invention is demonstrated in order. In the present invention, the term “precursor” refers to a stack material in a state before the oxidation step. In addition, a material in which a plurality of metal or semi-metal cores as thermoelectric materials are embedded in a metal matrix is described as a “stack material” before or after diameter reduction processing.

(1)スタック材の形成および縮径加工(熱電複合材料前駆体の製造)
本発明の製造方法では、まず金属マトリックスの穴に熱電材料となる金属または半金属の芯を複数埋設して、スタック材を形成する。この金属マトリックスは、好ましくはニッケル若しくは銅またはこれらの合金、より好ましくは銅または銅合金である。
(1) Formation of stack material and diameter reduction processing (manufacture of thermoelectric composite material precursor)
In the manufacturing method of the present invention, a stack material is first formed by embedding a plurality of metal or semi-metal cores to be thermoelectric materials in the holes of the metal matrix. This metal matrix is preferably nickel or copper or an alloy thereof, more preferably copper or a copper alloy.

本発明の製造方法において、縮径加工には特に限定はなく、押出し(例えば静水圧押出し)、引抜き、圧延、スウェッジ加工等の手段を利用すればよい。引抜き加工の速度は、好ましくは20m/min程度以下(より好ましくは10m/min程度以下)、静水押出し加工の速度は、好ましくは1.2m/min程度以下(より好ましくは0.6m/min程度以下)である。   In the production method of the present invention, the diameter reduction processing is not particularly limited, and means such as extrusion (for example, isostatic pressing), drawing, rolling, and swedging may be used. The drawing speed is preferably about 20 m / min or less (more preferably about 10 m / min or less), and the hydrostatic extrusion speed is preferably about 1.2 m / min or less (more preferably about 0.6 m / min). The following).

熱電複合材料前駆体の加工性を向上させるために、縮径加工の途中で、例えば200℃以下の温度で焼鈍を行ってもよい。金属芯として亜鉛または亜鉛合金を使用する場合、この焼鈍工程または後述する酸化工程で、亜鉛と金属マトリックス(例えば銅または銅合金)とが反応して金属間化合物(例えば銅−亜鉛金属間化合物)が形成されることがある。これに関して、金属マトリックスの穴に鉛または鉛合金の層(例えばシート)を形成してから、その中に亜鉛または亜鉛合金を充填することによって、金属間化合物の形成を防止できる。   In order to improve the workability of the thermoelectric composite material precursor, annealing may be performed at a temperature of 200 ° C. or less, for example, during the diameter reduction process. When zinc or a zinc alloy is used as the metal core, an intermetallic compound (for example, a copper-zinc intermetallic compound) reacts with zinc and a metal matrix (for example, copper or a copper alloy) in this annealing step or an oxidation step described later. May be formed. In this regard, the formation of intermetallic compounds can be prevented by forming a layer of lead or lead alloy (eg, a sheet) in the holes of the metal matrix and then filling it with zinc or a zinc alloy.

本発明の製造方法では、縮径加工したスタック材を組み合わせて、複合スタック材を形成し、さらにこの複合スタック材を縮径加工しても良い。さらに、この複合スタック材の形成および縮径加工を繰り返しても良い。1パスのみの縮径加工で、平均直径がナノサイズである芯を形成することは可能であるが、断線等の問題が発生し得る。そこで複合スタック材の形成およびその縮径加工を繰り返すことによって、断線等の問題を回避して、充分に小さな平均直径の芯を歩留まり良く形成できる。   In the manufacturing method of the present invention, the composite stack material may be formed by combining the stack materials subjected to diameter reduction processing, and the composite stack material may be further subjected to diameter reduction processing. Further, the formation of the composite stack material and the diameter reduction processing may be repeated. Although it is possible to form a core having an average diameter of nano-size by a diameter reduction process of only one pass, problems such as disconnection may occur. Therefore, by repeating the formation of the composite stack material and the diameter reduction processing thereof, problems such as disconnection can be avoided and a core having a sufficiently small average diameter can be formed with a high yield.

上記複合スタック材の形成手段としては、例えば下記実験例で示すように、縮径加工したスタック材を、マトリックスと同じ金属製のケースに挿入することなどが挙げられるが、本発明の製造方法はこの手段に限定されるものではない。また複合スタック材の縮径加工は、上述の手段が利用できる。   As the means for forming the composite stack material, for example, as shown in the following experimental examples, the stack material subjected to diameter reduction processing may be inserted into the same metal case as the matrix, etc. It is not limited to this means. Moreover, the above-mentioned means can be utilized for diameter reduction processing of the composite stack material.

以上のように、本発明の熱電複合材料の製造例として複数回の縮径加工による方法を説明したが、本発明の熱電複合材料は他の方法によっても製造される。例えば、CuO等の酸化物マトリックス前駆体を形成しておき、この前駆体に水素やヘリウムなどのイオンをナノサイズのエリアで照射し、イオンが通過した軌跡部分を加水分解してナノサイズの複数の孔を空け、この孔にBiなどの半金属の融液を圧入することにより、酸化物マトリックスに半金属の芯材が埋設された状態の熱電複合材料を形成することもできる。 As described above, the method using a plurality of diameter reduction processes has been described as an example of manufacturing the thermoelectric composite material of the present invention, but the thermoelectric composite material of the present invention can be manufactured by other methods. For example, an oxide matrix precursor such as Cu 2 O is formed, and this precursor is irradiated with ions such as hydrogen and helium in a nano-sized area, and a locus portion through which ions have passed is hydrolyzed to form a nano-sized precursor. A thermoelectric composite material in which a semi-metal core material is embedded in an oxide matrix can also be formed by punching a plurality of holes and press-fitting a melt of a semi-metal such as Bi into the holes.

(2)熱電複合材料前駆体の酸化
熱電材料の芯が金属酸化物(例えば亜鉛または亜鉛合金の酸化物)である熱電複合材料は、この酸化工程で、金属マトリックスと金属芯との両方を酸化させることによって製造できる。一方、熱電材料の芯が半金属(例えばビスマスまたはビスマス合金)である熱電複合材料は、この酸化工程で、半金属芯を酸化させずに、金属マトリックスだけ酸化させることによって製造できる。以下では、熱電材料が金属酸化物である場合と半金属である場合とに分けて説明する。
(2) Oxidation of thermoelectric composite material precursor Thermoelectric composite materials whose core of thermoelectric material is a metal oxide (for example, oxide of zinc or zinc alloy) oxidize both the metal matrix and the metal core in this oxidation process. Can be manufactured. On the other hand, a thermoelectric composite material in which the core of the thermoelectric material is a semimetal (for example, bismuth or a bismuth alloy) can be manufactured by oxidizing only the metal matrix without oxidizing the semimetal core in this oxidation step. Hereinafter, the case where the thermoelectric material is a metal oxide and the case where it is a semimetal will be described separately.

(i)熱電材料が金属酸化物である場合
この実施形態では金属マトリックスおよび金属芯の両方とも酸化させるので、充分な時間および温度で熱電複合材料前駆体を酸化させればよい。また酸化力を高めるために湿度が高い雰囲気中で前駆体を酸化させても良い。また前記雰囲気中に微量の亜硫酸ガス(SO2ガス)を添加しても良い。
(I) When the thermoelectric material is a metal oxide In this embodiment, both the metal matrix and the metal core are oxidized. Therefore, the thermoelectric composite material precursor may be oxidized for a sufficient time and temperature. In order to increase the oxidizing power, the precursor may be oxidized in an atmosphere with high humidity. A small amount of sulfurous acid gas (SO 2 gas) may be added to the atmosphere.

熱電材料が金属酸化物である場合、酸化工程で線状前駆体に磁場を印加しながら、金属芯を酸化させることが好ましい。磁場を印加することで、金属酸化物芯の結晶配向を揃えることができる。またこの場合、線状の熱電複合材料前駆体の長手方向を軸として前駆体を回転させながら磁場印加して酸化処理を行うと、金属酸化物(特に酸化亜鉛または亜鉛合金酸化物)の結晶配向性がさらに向上し、さらに高いZTが実現できる。   When the thermoelectric material is a metal oxide, it is preferable to oxidize the metal core while applying a magnetic field to the linear precursor in the oxidation step. By applying a magnetic field, the crystal orientation of the metal oxide core can be aligned. In this case, when an oxidation treatment is performed by applying a magnetic field while rotating the precursor around the longitudinal direction of the linear thermoelectric composite material precursor, the crystal orientation of the metal oxide (especially zinc oxide or zinc alloy oxide) The property is further improved, and a higher ZT can be realized.

(ii)熱電材料が半金属である場合
ビスマスまたはビスマス合金等の半金属である熱電材料を使用する場合、酸化工程でこれらが酸化されると、ZTが劣化する。そこで半金属熱電材料を使用する場合は、これらの酸化を防止する必要がある。そこでこの実施態様の本発明では、半金属芯の酸化を防止するために、金属マトリックスと半金属芯との間に、酸化を防止する金属層を配置することが好ましい。酸化防止用の金属層としては、例えば安定な酸化物を形成する金属が挙げられ、好ましくは亜鉛または亜鉛合金である。
(Ii) When the thermoelectric material is a semimetal When using a thermoelectric material that is a semimetal such as bismuth or a bismuth alloy, if these are oxidized in the oxidation step, the ZT deteriorates. Therefore, when using a semimetal thermoelectric material, it is necessary to prevent these oxidations. Therefore, in the present invention of this embodiment, in order to prevent oxidation of the semimetal core, it is preferable to dispose a metal layer for preventing oxidation between the metal matrix and the semimetal core. Examples of the metal layer for preventing oxidation include a metal that forms a stable oxide, and zinc or a zinc alloy is preferable.

この製造方法では、相対湿度が60〜100%(好ましくは80〜90%)である大気圧程度の空気雰囲気下で、熱電複合材料の前駆体を、200〜350℃(好ましくは250〜300℃)で15〜70時間(好ましくは20〜50時間)加熱することによって、マトリックスの金属のみを金属酸化物に変換させる。また前記雰囲気中に微量のSO2ガスを添加しても良い。SO2はH2Oと反応してH2SO3(亜硫酸ガス)を形成する。このH2SO3によって酸化が促進される。 In this production method, the precursor of the thermoelectric composite material is heated to 200 to 350 ° C. (preferably 250 to 300 ° C.) in an air atmosphere of about atmospheric pressure having a relative humidity of 60 to 100% (preferably 80 to 90%). ) For 15 to 70 hours (preferably 20 to 50 hours) to convert only the metal of the matrix into a metal oxide. A small amount of SO 2 gas may be added to the atmosphere. SO 2 reacts with H 2 O to form H 2 SO 3 (sulfurous gas). Oxidation is promoted by this H 2 SO 3 .

以下、実験例を挙げて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実験例によって制限を受けるものではなく、上記・下記の趣旨に適合し得る範囲で適当に変更を加えて実施することも勿論可能であり、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to experimental examples, but the present invention is not limited by the following experimental examples, and appropriate modifications are made within a range that can meet the above and the following purposes. Of course, it is possible to implement them, and they are all included in the technical scope of the present invention.

実験例1
直径67mmの銅インゴットに、端から端までを貫通する直径16.0mmの円筒状を7個開け、その穴に亜鉛棒を挿入して、一次スタック材を形成した。これに静水圧押出しによる縮径加工(速度1.2m/min)を施して、断面が六角形(対辺間距離2.3mm)である縮径加工した一次スタック材を形成した。
Experimental example 1
Seven cylinders with a diameter of 16.0 mm penetrating from end to end were opened in a copper ingot with a diameter of 67 mm, and a zinc rod was inserted into the hole to form a primary stack material. This was subjected to diameter reduction processing (speed 1.2 m / min) by hydrostatic pressure extrusion to form a diameter-reduced primary stack material having a hexagonal cross section (distance between opposite sides: 2.3 mm).

縮径加工した一次スタック材433本を束ね、これらを一体化して、銅製の外層パイプケース(外径67mm、内径47mm)に挿入し、この両端を電子ビーム溶接して、二次スタック材を形成した。これに静水圧押出しによる縮径加工(速度1.2m/min)を施して、直径が0.80mmである丸棒状の熱電複合材料前駆体を形成した。このときの亜鉛芯の直径は3.2μmであった。なお本実験例および下記実験例における芯の直径の値は、縮径加工率から計算した値である。   433 bundled primary stack materials that have been reduced in diameter are bundled, integrated, and inserted into a copper outer pipe case (outer diameter 67 mm, inner diameter 47 mm), and both ends are electron beam welded to form a secondary stack material did. This was subjected to diameter reduction processing (speed 1.2 m / min) by hydrostatic extrusion to form a round bar-shaped thermoelectric composite precursor having a diameter of 0.80 mm. At this time, the zinc core had a diameter of 3.2 μm. In addition, the value of the diameter of the core in this experiment example and the following experiment example is a value calculated from the diameter reduction processing rate.

上述した二次スタック材の縮径加工の途中で、200℃以下の温度で焼鈍を行ったが、この焼鈍中に銅マトリックスと亜鉛芯とが反応して、銅−亜鉛金属間化合物が形成されていた。これは、断面の組成分析で確認した。また断線が生じるために、さらなる縮径加工を施すことはできなかった。   In the course of the diameter reduction processing of the secondary stack material described above, annealing was performed at a temperature of 200 ° C. or less. During this annealing, the copper matrix and the zinc core reacted to form a copper-zinc intermetallic compound. It was. This was confirmed by composition analysis of the cross section. Further, since wire breakage occurred, further diameter reduction processing could not be performed.

この前駆体を、相対湿度が90%であり、濃度10ppmのSO2ガスを含む大気圧程度の空気雰囲気下、300℃で50時間加熱する酸化処理を行い、マトリックスが酸化銅(Cu2O)であり、熱電材料が酸化亜鉛(ZnO)である線状熱電複合材料を形成した。 This precursor is subjected to an oxidation treatment in which the relative humidity is 90% and heating is performed at 300 ° C. for 50 hours in an atmosphere of atmospheric pressure containing SO 2 gas having a concentration of 10 ppm, and the matrix is copper oxide (Cu 2 O). A linear thermoelectric composite material in which the thermoelectric material is zinc oxide (ZnO) was formed.

酸化処理後の線状熱電複合材料から、長さ5mmの材料を切り出し、低温端25℃(298K)及び高温端500℃(773K)の条件で(中間温度T=538K)、ゼーベック係数S、電気伝導率σ及び熱伝導率κを測定して、この材料の無次元熱電性能指数ZTを求めた。   A material with a length of 5 mm was cut out from the linear thermoelectric composite material after the oxidation treatment, under conditions of a low temperature end of 25 ° C. (298 K) and a high temperature end of 500 ° C. (773 K) (intermediate temperature T = 538 K), Seebeck coefficient S, electricity By measuring the conductivity σ and the thermal conductivity κ, the dimensionless thermoelectric figure of merit ZT of this material was determined.

実験例1の線状熱電複合材料のZTは0.62であった(熱電複合材料の直径0.80mm及び長さ5mm、酸化亜鉛芯の直径3.2μm、T=538K)。なお、酸化亜鉛芯の直径を70nmまで絞っても、ZTの値は0.67程度にしかならなかった。   The ZT of the linear thermoelectric composite material of Experimental Example 1 was 0.62 (the thermoelectric composite material diameter 0.80 mm and length 5 mm, the zinc oxide core diameter 3.2 μm, T = 538K). Even when the diameter of the zinc oxide core was reduced to 70 nm, the value of ZT was only about 0.67.

実験例2
直径67mmの銅インゴットに、端から端までを貫通する直径16.0mmの円筒状を7個開け、その穴の内側に沿わせて厚さ0.05mmの鉛シートを円筒状に巻き、その中に亜鉛棒を挿入し、その両端を電子ビーム溶接して、一次スタック材を形成した。これに静水圧押出しによる縮径加工(速度1.2m/min)を施して、断面が六角形(対辺間距離2.3mm)である縮径加工した一次スタック材を形成した。
Experimental example 2
Seven holes of 16.0mm diameter that penetrate from end to end are drilled on a 67mm diameter copper ingot, and a 0.05mm thick lead sheet is wound in a cylindrical shape along the inside of the hole. A zinc rod was inserted into the two and both ends thereof were electron beam welded to form a primary stack material. This was subjected to diameter reduction processing (speed 1.2 m / min) by hydrostatic pressure extrusion to form a diameter-reduced primary stack material having a hexagonal cross section (distance between opposite sides: 2.3 mm).

縮径加工した一次スタック材433本を束ね、これらを一体化して、銅製の外層パイプケース(外径67mm、内径47mm)に挿入し、この両端を電子ビーム溶接して、二次スタック材を形成した。これに静水圧押出しによる縮径加工(速度1.2m/min)を施して、断面が六角形(対辺間距離2.3mm)である縮径加工した二次スタック材を形成した。なお二次スタック材の縮径加工の途中で、200℃以下の温度で焼鈍を行った。   433 bundled primary stack materials that have been reduced in diameter are bundled, integrated, and inserted into a copper outer pipe case (outer diameter 67 mm, inner diameter 47 mm), and both ends are electron beam welded to form a secondary stack material did. This was subjected to diameter reduction processing (speed 1.2 m / min) by hydrostatic pressure extrusion to form a diameter-reduced secondary stack material having a hexagonal cross section (distance between opposite sides: 2.3 mm). Note that annealing was performed at a temperature of 200 ° C. or lower during the diameter reduction of the secondary stack material.

縮径加工した二次スタック材433本を束ね、これらを一体化して、銅製の外層パイプケース(外径67mm、内径47mm)に挿入し、この両端を電子ビーム溶接して、三次スタック材を形成した。これに静水圧押出しによる縮径加工(速度1.2m/min)を施して、直径が0.40mmである丸棒状の熱電複合材料前駆体を形成した(図1)。このときの亜鉛芯の直径は20nmであった。なお三次スタック材の縮径加工の途中でも、200℃以下の温度で焼鈍を行ったが、銅−亜鉛金属間化合物は形成されなかった。これは断面の組成分析で確認した。これは、鉛層が銅−亜鉛金属間化合物の形成を防止したためである。   433 bundled secondary stack materials that have been reduced in diameter are bundled, integrated, and inserted into a copper outer layer pipe case (outer diameter 67 mm, inner diameter 47 mm), and both ends are electron beam welded to form a tertiary stack material did. This was subjected to a diameter reduction process (speed 1.2 m / min) by hydrostatic extrusion to form a round bar-shaped thermoelectric composite material precursor having a diameter of 0.40 mm (FIG. 1). At this time, the diameter of the zinc core was 20 nm. Even during the diameter reduction processing of the tertiary stack material, annealing was performed at a temperature of 200 ° C. or less, but no copper-zinc intermetallic compound was formed. This was confirmed by composition analysis of the cross section. This is because the lead layer prevented the formation of a copper-zinc intermetallic compound.

この前駆体を、相対湿度が90%であり、濃度10ppmのSO2ガスを含む大気圧程度の空気雰囲気下、300℃で25時間加熱する酸化処理を行い、マトリックスが酸化銅(Cu2O)であり、熱電材料が酸化亜鉛(ZnO)であり、その間に酸化鉛層が存在する線状熱電複合材料を形成した(図2)。なお、300℃で50時間加熱してもほぼ同様の結果であった。 This precursor is subjected to an oxidation treatment in which the relative humidity is 90% and the atmosphere is heated at 300 ° C. for 25 hours in an atmospheric atmosphere containing SO 2 gas having a concentration of 10 ppm, and the matrix is copper oxide (Cu 2 O). The thermoelectric material was zinc oxide (ZnO), and a linear thermoelectric composite material in which a lead oxide layer was present between them was formed (FIG. 2). In addition, even if it heated at 300 degreeC for 50 hours, it was almost the same result.

実験例1と同様にして求めた実験例2の線状熱電複合材料のZTは、6.1であった(熱電複合材料の直径0.40mm及び長さ5mm、酸化亜鉛芯の直径20nm、T=538K)。   The ZT of the linear thermoelectric composite material of Experimental Example 2 obtained in the same manner as in Experimental Example 1 was 6.1 (the thermoelectric composite material diameter 0.40 mm and length 5 mm, the zinc oxide core diameter 20 nm, T = 538K).

実験例3
亜鉛棒の代わりにZn−1質量%Al合金棒を使用して、一次スタック材を形成したこと以外は、実験例1と同様にして、マトリックスが酸化銅(Cu2O)であり、熱電材料がZn−1質量%Al合金の酸化物である線状熱電複合材料を形成した。この実験例3でも、実験例1と同様に、二次スタック材の縮径加工途中の焼鈍で銅−亜鉛金属間化合物が形成されていた。また断線が生じるために、さらなる縮径加工を施すことはできなかった。
Experimental example 3
The matrix is copper oxide (Cu 2 O) in the same manner as in Experimental Example 1 except that a primary stack material is formed using a Zn-1 mass% Al alloy rod instead of the zinc rod, and the thermoelectric material Formed a linear thermoelectric composite material which is an oxide of Zn-1 mass% Al alloy. In Experimental Example 3, as in Experimental Example 1, a copper-zinc intermetallic compound was formed by annealing during the diameter reduction processing of the secondary stack material. Further, since wire breakage occurred, further diameter reduction processing could not be performed.

実験例1と同様にして求めた実験例3の線状熱電複合材料のZTは、0.15であった(熱電複合材料の直径0.80mm及び長さ5mm、Zn−1質量%Al合金酸化物の芯の直径3.2μm、T=538K)。   The ZT of the linear thermoelectric composite material of Experimental Example 3 obtained in the same manner as in Experimental Example 1 was 0.15 (diameter 0.80 mm and length 5 mm of the thermoelectric composite material, Zn-1 mass% Al alloy oxidation) The diameter of the core of the object is 3.2 μm, T = 538K).

実験例4
亜鉛棒の代わりにZn−1質量%Al合金棒を使用して、一次スタック材を形成したこと以外は、実験例2と同様にして、マトリックスが酸化銅(Cu2O)であり、熱電材料がZn−1質量%Al合金の酸化物であり、その間に酸化鉛層が存在する線状熱電複合材料を形成した。この実験例4でも、実験例2と同様に、二次スタック材および三次スタック材の縮径加工途中の焼鈍を行ったが、銅−亜鉛金属間化合物は形成されなかった。
Experimental Example 4
The matrix is copper oxide (Cu 2 O) in the same manner as in Experimental Example 2 except that a primary stack material is formed using a Zn-1 mass% Al alloy rod instead of the zinc rod, and the thermoelectric material Is an oxide of Zn-1 mass% Al alloy, and a linear thermoelectric composite material in which a lead oxide layer exists is formed. In Experimental Example 4, as in Experimental Example 2, the secondary stack material and the tertiary stack material were annealed during the diameter reduction process, but no copper-zinc intermetallic compound was formed.

実験例1と同様にして求めた実験例4の線状熱電複合材料のZTは、6.8であった(熱電複合材料の直径0.40mm及び長さ5mm、Zn−1質量%Al合金酸化物の芯の直径20nm、T=538K)。   The ZT of the linear thermoelectric composite material of Experimental Example 4 obtained in the same manner as in Experimental Example 1 was 6.8 (the diameter of the thermoelectric composite material was 0.40 mm and the length was 5 mm, and the Zn-1 mass% Al alloy was oxidized. Core diameter 20 nm, T = 538K).

実験例5
線状前駆体の長手方向に垂直に10Tの磁場を印加しながら酸化処理を行った(図3)こと以外は、実験例4と同様にして、マトリックスが酸化銅(Cu2O)であり、熱電材料がZn−1質量%Al合金の酸化物であり、その間に酸化鉛層が存在する線状熱電複合材料を形成した。磁場印加によって、熱電材料であるZn−1質量%Al合金酸化物の結晶のc面が、線状熱電複合材料の長手方向に配向した。このことをX線回折によって確認した。
Experimental Example 5
The matrix is copper oxide (Cu 2 O) in the same manner as in Experimental Example 4 except that the oxidation treatment was performed while applying a magnetic field of 10 T perpendicular to the longitudinal direction of the linear precursor (FIG. 3). The thermoelectric material was an oxide of a Zn-1 mass% Al alloy, and a linear thermoelectric composite material in which a lead oxide layer was present was formed. By applying a magnetic field, the c-plane of the crystal of Zn-1 mass% Al alloy oxide, which is a thermoelectric material, was oriented in the longitudinal direction of the linear thermoelectric composite material. This was confirmed by X-ray diffraction.

実験例1と同様にして求めた実験例5の線状熱電複合材料のZTは、7.4であった(熱電複合材料の直径0.40mm及び長さ5mm、Zn−1質量%Al合金酸化物の芯の直径20nm、T=538K)。   The ZT of the linear thermoelectric composite material of Experimental Example 5 obtained in the same manner as in Experimental Example 1 was 7.4 (the thermoelectric composite material had a diameter of 0.40 mm and a length of 5 mm, and the Zn-1 mass% Al alloy was oxidized. Core diameter 20 nm, T = 538K).

実験例6
直径67mmの銅インゴットに、端から端までを貫通する直径16.0mmの円筒状を7個開け、その穴の内側に沿わせて厚さ0.02mmの亜鉛シートを円筒状に巻き、その中にビスマス粉末および亜鉛粉末の混合物(粉末合計100質量部中、亜鉛粉末2質量部)を充填し、この両端を電子ビーム溶接して、一次スタック材を形成した。これに静水圧押出しによる縮径加工(速度1.2m/min)を施して、断面が六角形(対辺間距離2.3mm)である縮径加工した一次スタック材を形成した。
Experimental Example 6
Open a 67mm diameter copper ingot with 7 cylinders with a diameter of 16.0mm penetrating from end to end and wind a 0.02mm thick zinc sheet along the inside of the hole. Was filled with a mixture of bismuth powder and zinc powder (2 parts by mass of zinc powder in a total of 100 parts by mass of powder), and both ends thereof were electron beam welded to form a primary stack material. This was subjected to diameter reduction processing (speed 1.2 m / min) by hydrostatic pressure extrusion to form a diameter-reduced primary stack material having a hexagonal cross section (distance between opposite sides: 2.3 mm).

縮径加工した一次スタック材433本を束ね、これらを一体化して、銅製の外層パイプケース(外径67mm、内径47mm)に挿入し、この両端を電子ビーム溶接して、二次スタック材を形成した。これに静水圧押出しによる縮径加工(速度1.2m/min)を施して、直径が0.80mmである丸棒状の熱電複合材料前駆体を形成した。このときのビスマス−亜鉛芯の直径は3.2μmであった。なお潤滑剤として作用する亜鉛量が少なく、断線が生じるために、さらなる縮径加工を施すことはできなかった。   433 bundled primary stack materials that have been reduced in diameter are bundled, integrated, and inserted into a copper outer pipe case (outer diameter 67 mm, inner diameter 47 mm), and both ends are electron beam welded to form a secondary stack material did. This was subjected to diameter reduction processing (speed 1.2 m / min) by hydrostatic extrusion to form a round bar-shaped thermoelectric composite precursor having a diameter of 0.80 mm. The diameter of the bismuth-zinc core at this time was 3.2 μm. Further, since the amount of zinc acting as a lubricant is small and disconnection occurs, further diameter reduction processing cannot be performed.

この前駆体を、相対湿度が90%であり、濃度10ppmのSO2ガスを含む大気圧程度の空気雰囲気下、300℃で50時間加熱する酸化処理を行い、マトリックスが酸化銅(Cu2O)であり、熱電材料がビスマス(Bi)である熱電複合材料を形成した。 This precursor is subjected to an oxidation treatment in which the relative humidity is 90% and heating is performed at 300 ° C. for 50 hours in an atmosphere of atmospheric pressure containing SO 2 gas having a concentration of 10 ppm, and the matrix is copper oxide (Cu 2 O). A thermoelectric composite material in which the thermoelectric material is bismuth (Bi) was formed.

酸化処理後の線状熱電複合材料から、長さ5mmの材料を切り出し、低温端25℃(298K)及び高温端150℃(423K)の条件で(中間温度T=361K)、ゼーベック係数S、電気伝導率σ及び熱伝導率κを測定して、この材料の無次元熱電性能指数ZTを求めた。なお、実験例1〜5の場合に比べて高温端の温度を低くしたのは、Biの融点が約271度と低いためである。   A material having a length of 5 mm was cut out from the linear thermoelectric composite material after the oxidation treatment, under conditions of a low temperature end of 25 ° C. (298 K) and a high temperature end of 150 ° C. (423 K) (intermediate temperature T = 361 K), Seebeck coefficient S, electricity By measuring the conductivity σ and the thermal conductivity κ, the dimensionless thermoelectric figure of merit ZT of this material was determined. The reason why the temperature at the high temperature end is lowered as compared with the cases of Experimental Examples 1 to 5 is that the melting point of Bi is as low as about 271 degrees.

実験例6の線状熱電複合材料のZTは、0.53であった(熱電複合材料の直径0.80mm及び長さ5mm、ビスマス−亜鉛芯の直径3.2μm、T=361K)。   The ZT of the linear thermoelectric composite material of Experimental Example 6 was 0.53 (diameter 0.80 mm and length 5 mm of thermoelectric composite material, bismuth-zinc core diameter 3.2 μm, T = 361 K).

実験例7
厚さ0.02mmの亜鉛シートを使用せず、銅インゴットの穴にビスマス粉末および亜鉛粉末の混合物(粉末合計100質量部中、亜鉛粉末20質量部)を充填したこと以外は、実験例6と同様にして、マトリックスが酸化銅(Cu2O)であり、熱電材料がビスマス(Bi)である線状熱電複合材料を形成した。実験例7の線状熱電複合材料では、酸化工程でビスマスが部分的に酸化していた。このことは断面の組成分析で確認した。
Experimental Example 7
Except that a 0.02 mm-thick zinc sheet was not used and a hole of a copper ingot was filled with a mixture of bismuth powder and zinc powder (20 parts by mass of zinc powder in a total of 100 parts by mass of powder) and Example 6 Similarly, a linear thermoelectric composite material in which the matrix was copper oxide (Cu 2 O) and the thermoelectric material was bismuth (Bi) was formed. In the linear thermoelectric composite material of Experimental Example 7, bismuth was partially oxidized in the oxidation process. This was confirmed by cross-sectional composition analysis.

実験例6と同様にして求めた実験例7の線状熱電複合材料のZTは、0.02であった(熱電複合材料の直径0.80mm及び長さ5mm、ビスマス−亜鉛芯の直径3.2μm、T=361K)。   ZT of the linear thermoelectric composite material of Experimental Example 7 obtained in the same manner as Experimental Example 6 was 0.02 (diameter 0.80 mm and length of thermoelectric composite material 5 mm, bismuth-zinc core diameter 3. 2 μm, T = 361K).

実験例8
直径67mmの銅インゴットに、端から端までを貫通する直径16.0mmの円筒状を7個開け、その穴の内側に沿わせて厚さ0.02mmの亜鉛シートを円筒状に巻き、その中にビスマス粉末および亜鉛粉末の混合物(粉末合計100質量部中、亜鉛粉末20質量部)を充填し、この両端を電子ビーム溶接して、これに静水圧押出しによる縮径加工(速度1.2m/min)を施して、断面が六角形(対辺間距離2.3mm)である縮径加工した一次スタック材を形成した。
Experimental Example 8
Open a 67mm diameter copper ingot with 7 cylinders with a diameter of 16.0mm penetrating from end to end and wind a 0.02mm thick zinc sheet along the inside of the hole. Are mixed with a mixture of bismuth powder and zinc powder (20 parts by mass of zinc powder in a total of 100 parts by mass of powder), both ends thereof are subjected to electron beam welding, and reduced diameter processing by hydrostatic extrusion (speed: 1.2 m / min) min) to form a reduced diameter primary stack material having a hexagonal cross section (a distance between opposite sides of 2.3 mm).

縮径加工した一次スタック材433本を束ね、これらを一体化して、銅製の外層パイプケース(外径67mm、内径47mm)に挿入し、この両端を電子ビーム溶接して、二次スタック材を形成した。これに静水圧押出しによる縮径加工(速度1.2m/min)を施して、断面が六角形(対辺間距離2.3mm)である縮径加工した二次スタック材を形成した。   433 bundled primary stack materials that have been reduced in diameter are bundled, integrated, and inserted into a copper outer pipe case (outer diameter 67 mm, inner diameter 47 mm), and both ends are electron beam welded to form a secondary stack material did. This was subjected to diameter reduction processing (speed 1.2 m / min) by hydrostatic pressure extrusion to form a diameter-reduced secondary stack material having a hexagonal cross section (distance between opposite sides: 2.3 mm).

縮径加工した二次スタック材433本を束ね、これらを一体化して、銅製の外層パイプケース(外径67mm、内径47mm)に挿入し、この両端を電子ビーム溶接して、三次スタック材を形成した。これに静水圧押出しによる縮径加工(速度1.2m/min)を施して、直径が0.40mmである丸棒状の熱電複合材料前駆体を形成した(図4)。このときのビスマス−亜鉛芯の直径は20nmであった。   433 bundled secondary stack materials that have been reduced in diameter are bundled, integrated, and inserted into a copper outer layer pipe case (outer diameter 67 mm, inner diameter 47 mm), and both ends are electron beam welded to form a tertiary stack material did. This was subjected to a diameter reduction process (speed 1.2 m / min) by hydrostatic extrusion to form a round bar-shaped thermoelectric composite material precursor having a diameter of 0.40 mm (FIG. 4). The diameter of the bismuth-zinc core at this time was 20 nm.

この前駆体を、相対湿度が90%であり、濃度10ppmのSO2ガスを含む大気圧程度の空気雰囲気下、300℃で25時間加熱する酸化処理を行い、マトリックスが酸化銅(Cu2O)であり、熱電材料がビスマス(Bi)であり、これらの間に酸化亜鉛層が存在する熱電複合材料を形成した(図5)。なお、300℃で50時間加熱してもほぼ同様の結果であった。 This precursor is subjected to an oxidation treatment in which the relative humidity is 90% and the atmosphere is heated at 300 ° C. for 25 hours in an atmospheric atmosphere containing SO 2 gas having a concentration of 10 ppm, and the matrix is copper oxide (Cu 2 O). The thermoelectric material was bismuth (Bi), and a thermoelectric composite material in which a zinc oxide layer was present between them was formed (FIG. 5). In addition, even if it heated at 300 degreeC for 50 hours, it was almost the same result.

実験例6と同様にして求めた実験例8の線状熱電複合材料のZTは、5.4であった(熱電複合材料の直径0.40mm及び長さ5mm、ビスマス−亜鉛芯の直径3.2μm、T=361K)。   The ZT of the linear thermoelectric composite material of Experimental Example 8 obtained in the same manner as in Experimental Example 6 was 5.4 (diameter 0.40 mm and length of thermoelectric composite material 5 mm, bismuth-zinc core diameter 3. 2 μm, T = 361K).

実験例2で作製した熱電複合材料前駆体の断面を示す模式図である。6 is a schematic diagram showing a cross section of a thermoelectric composite material precursor produced in Experimental Example 2. FIG. 実験例2で作製した熱電複合材料の断面を示す模式図である。6 is a schematic diagram showing a cross section of a thermoelectric composite material produced in Experimental Example 2. FIG. 実験例5で用いた磁場を印加しながら酸化処理を行う装置を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the apparatus which performs an oxidation process, applying the magnetic field used in Experimental example 5. FIG. 実験例8で作製した熱電複合材料前駆体の断面を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of the thermoelectric composite material precursor produced in Experimental example 8. 実験例8で作製した熱電複合材料の断面を示す模式図である。10 is a schematic diagram showing a cross section of a thermoelectric composite material produced in Experimental Example 8. FIG.

Claims (9)

金属酸化物マトリックス中に金属酸化物または半金属の芯が複数埋設されている線状の熱電複合材料であって、前記芯の平均直径が5nm以上60nm以下であることを特徴とする熱電複合材料。   A linear thermoelectric composite material in which a plurality of metal oxide or metalloid cores are embedded in a metal oxide matrix, wherein the core has an average diameter of 5 nm to 60 nm. . 前記芯が、亜鉛または亜鉛合金の酸化物である請求項1に記載の熱電複合材料。   The thermoelectric composite material according to claim 1, wherein the core is an oxide of zinc or a zinc alloy. 前記亜鉛合金の酸化物が、合金元素としてAl、Mg、Ti、Ga、Ge、In、Sn、As、SbおよびNbよりなる群から選ばれる少なくとも1種を0.01質量%以上5質量%以下の合計量で含有する請求項2に記載の熱電複合材料。   The zinc alloy oxide contains at least one selected from the group consisting of Al, Mg, Ti, Ga, Ge, In, Sn, As, Sb, and Nb as an alloy element. The thermoelectric composite material according to claim 2, which is contained in a total amount. 前記亜鉛または亜鉛合金の酸化物の結晶のc面が、線状熱電複合材料の長手方向に配向している請求項2または3に記載の熱電複合材料。   The thermoelectric composite material according to claim 2 or 3, wherein the c-plane of the zinc or zinc alloy oxide crystal is oriented in the longitudinal direction of the linear thermoelectric composite material. 前記の金属酸化物マトリックスと芯との間に、鉛または鉛合金の酸化物層が存在する請求項2〜4のいずれかに記載の熱電複合材料。   The thermoelectric composite material according to any one of claims 2 to 4, wherein an oxide layer of lead or a lead alloy is present between the metal oxide matrix and the core. 前記芯が、ビスマスまたはビスマス合金である請求項1に記載の熱電複合材料。   The thermoelectric composite material according to claim 1, wherein the core is bismuth or a bismuth alloy. 前記芯が、亜鉛粉末と、ビスマスまたはビスマス合金の粉末を含むものであり、前記粉末の合計を100質量部としたとき、亜鉛粉末量が5質量部以上25質量部以下である請求項6に記載の熱電複合材料。   The said core contains zinc powder and powder of bismuth or a bismuth alloy, and when the total of the said powder is 100 mass parts, zinc powder amount is 5 mass parts or more and 25 mass parts or less. The thermoelectric composite material described. 前記の金属酸化物マトリックスと芯との間に、亜鉛または亜鉛合金の酸化物層が存在する請求項6または7に記載の熱電複合材料。   The thermoelectric composite material according to claim 6 or 7, wherein an oxide layer of zinc or a zinc alloy is present between the metal oxide matrix and the core. 前記金属酸化物マトリックスが、銅または銅合金の酸化物である請求項1〜8のいずれかに記載の熱電複合材料。   The thermoelectric composite material according to claim 1, wherein the metal oxide matrix is an oxide of copper or a copper alloy.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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