JP2010157686A - 複合合金の複合材料とその生成法、熱電素子、および熱電モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】セラミック材料で満たされた熱電材料を基にしたセラミック・金属複合材である複合合金の複合材料を提供する。この複合材料は、以下の一般式(I)で示される。
A1-xBx (I)
上記の一般式(I)において、0.05≦X≦0.2であり、Aは、ハーフホイスラー熱電材料を示し、その比例組成は、以下の式(II)で示される。
(Tia1Zrb1Hfc1)1-y-zNiySnz (II)
上記の一般式(II)において、0<a1<1、0<b1<1、0<c1<1、a1+b1+c1=1、0.25≦y≦0.35および1、0.25≦z≦0.35であり、Bは、炭素(C)、酸素(O)および窒素(N)の群から選ばれた少なくとも1つの元素を示す。
【選択図】図3
Description
A1-xBx (I)
(Tia1Zrb1Hfc1)1-y-zNiySnz (II)
A1-xBx (I)
(Tia1Zrb1Hfc1)1-y-zNiy Snz (II)
102、202 N型半導体
104、204 P型半導体
106、206 基板
108、208 電極
200 熱電モジュール
300、310、320、330、340、350、360 ステップ
Claims (51)
- セラミック材料で満たされた熱電材料を基にしたセラミック・金属複合材であり、以下の一般式(I)で示される複合合金の複合材料であって、
A1-xBx (I)
前記一般式(I)において、0.05≦X≦0.2であり、前記Aがハーフホイスラー熱電材料を示し、前記Bが炭素(C)、酸素(O)および窒素(N)の群から選ばれた少なくとも1つの元素を示し、
前記Aの比例組成が、以下の一般式(II)で示され、
(Tia1Zrb1Hfc1)1-y-zNiy Snz (II)
前記一般式(II)において、0<a1<1、0<b1<1、0<c1<1、a1+b1+c1=1、0.25≦y≦0.35および0.25≦z≦0.35であることを特徴とする複合合金の複合材料。 - 前記Aが、MgAgAs型の結晶構造を有する合金であり、前記Ti、ZrおよびHfの一部が、Nb、Sc、Y、W、Ta、V、LaおよびCeから成る群から選ばれた少なくとも1つの元素によって独立して置き換えることのできる請求項1記載の複合合金の複合材料。
- 前記Niの一部が、Pd、Pt、CoおよびAgから成る群から選ばれた少なくとも1つの元素によって置き換えることのできる請求項1記載の複合合金の複合材料。
- 前記Snの一部が、Sb、Te、Si、PbおよびGeから成る群から選ばれた少なくとも1つの元素によって置き換えることのできる請求項1記載の複合合金の複合材料。
- 前記Bの原料が、酸化物、窒化物、炭化物、およびその組合せから成る材料群から選ばれた少なくとも1つの材料である請求項1記載の複合合金の複合材料。
- 前記酸化物が、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化シリコン、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化ウォルフラム、酸化ランタン、酸化バナジウム、酸化イットリウム、酸化スズ、酸化ニッケル、酸化スカンジウム、酸化タンタル、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化アンチモン、および酸化亜鉛を含む請求項5記載の複合合金の複合材料。
- 前記窒化物が、窒化ホウ素、窒化ジルコニウム、窒化インジウム、窒化チタン、窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ニオブ、窒化ハフニウム、窒化ウォルフラム、窒化バナジウム、窒化イットリウム、窒化ニッケル、窒化スカンジウム、または窒化タンタルを含む請求項5記載の複合合金の複合材料。
- 前記炭化物が、炭化ホウ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化シリコン、炭化ニオブ、炭化ハフニウム、炭化ウォルフラム、炭化モリブデン、炭化クロム、または炭化バナジウムを含む請求項5記載の複合合金の複合材料。
- N型半導体および/またはP型半導体を含み、前記N型半導体および/または前記P型半導体の材料が、請求項1〜8のいずれか1項に記載の前記複合合金の前記複合材料である熱電素子。
- 複数のN型半導体および複数のP型半導体を含み、前記複数のN型半導体および前記複数のP型半導体が交互に直列に連接し、内部の電極を介して接続され、前記複数のN型半導体および/または前記複数のP型半導体の材料が、請求項1〜8のいずれか1項に記載の前記複合合金の前記複合材料である熱電モジュール。
- 前記熱電モジュールが冷却モジュールである請求項10記載の熱電モジュール。
- 請求項1に記載の前記複合合金の前記複合材料を生成する方法であって、
純度が99%よりも高く、Ti、Zr、Hf、NiおよびSnを含む複数の金属原料を洗浄することと、
複数の異原料とともに高温プロセスを行って、異材料を有する熱電複合材料を形成することと
を含む複合合金の複合材料を生成する方法。 - 前記高温プロセスが、焼結または粉砕または溶融プロセスを含む請求項12記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記高温プロセスの温度が、750℃よりも高い請求項12記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記Ti、ZrおよびHfの一部が、Nb、Sc、Y、W、Ta、V、LaおよびCeから成る群から選ばれた少なくとも1つの元素によって独立して置き換えられる請求項12記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記Niの一部が、Pd、Pt、CoおよびAgから成る群から選ばれた少なくとも1つの元素によって置き換えられる請求項12記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記Snの一部が、Sb、Te、Si、PbおよびGeから成る群から選ばれた少なくとも1つの元素によって置き換えられる請求項12記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記異材料が、酸化物、窒化物、炭化物およびその組合せから成る群から選ばれた少なくとも1つの材料である請求項12記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記異材料中の前記酸化物が、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化シリコン、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化ウォルフラム、酸化ランタン、酸化バナジウム、酸化イットリウム、酸化スズ、酸化ニッケル、酸化スカンジウム、酸化タンタル、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化アンチモン、および酸化亜鉛を含む請求項18記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記異材料中の前記窒化物が、窒化ホウ素、窒化ジルコニウム、窒化インジウム、窒化チタン、窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ニオブ、窒化ハフニウム、窒化ウォルフラム、窒化バナジウム、窒化イットリウム、窒化ニッケル、窒化スカンジウム、または窒化タンタルを含む請求項18記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記異材料中の前記炭化物が、炭化ホウ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化シリコン、炭化ニオブ、炭化ハフニウム、炭化ウォルフラム、炭化モリブデン、炭化クロム、または炭化バナジウムを含む請求項18記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記高温プロセスを行う前記ステップの前に、所定の割合に基づいて前記複数の金属原料を調合することをさらに含み、
前記高温プロセスを行う前記ステップが、前記複数の異原料の雰囲気の下で前記複数の金属原料を溶融して、溶融物を形成することを含む請求項12記載の複合合金の複合材料を生成する方法。 - 前記複数の異原料が、酸素(O)、窒素(N)、および炭素(C)から成るガス群から選ばれた少なくとも1つのガスである請求項22記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記雰囲気が、酸素ガスまたは窒素ガスを含む請求項23記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記高温プロセスを行う前記ステップの後に、前記溶融物を急速に冷却することをさらに含む請求項22記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記溶融物の前記急速冷却の冷却速度が、100℃/秒よりも大きい請求項25記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記溶融物を急速に冷却した後、前記異材料を有する前記熱電複合材料を成形、焼結および粉砕することをさらに含む請求項25記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記成形の方法が、射出成形を含む請求項27記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記成形および焼結の方法が、熱間プレス成形、熱間等方圧成形、または放電プラズマ焼結の方法を含む請求項27記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記溶融物を急速に冷却した後、前記熱電複合材料に対して真空アニール熱処理を行うことをさらに含む請求項22記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記真空アニール熱処理の温度が、750℃から1200℃の間である請求項30記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記高温プロセスを行う前記ステップの前に、所定の割合に基づいて前記複数の金属原料と前記異原料を調合することをさらに含み、前記異原料が、酸化物、窒化物、炭化物およびその組合せから成る材料群から選ばれた少なくとも1つの材料である請求項12記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記高温プロセスを行う前記ステップが、前記複数の金属原料および前記複数の異原料を溶融して、溶融物を得ることを含み、
前記高温プロセスを行う前記ステップの後に、前記溶融物を急速に冷却することをさらに含む請求項32記載の複合合金の複合材料を生成する方法。 - 前記冷却ステップの冷却速度が、100℃/秒よりも大きい請求項33記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記冷却ステップを行った後に、前記異材料を有する前記熱電複合材料を成形、焼結および粉砕することをさらに含む請求項33記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記成形の方法が、射出成形を含む請求項35記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記成形および焼結の方法が、熱間プレス成形、熱間等方圧成形、または放電プラズマ焼結の方法を含む請求項35載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記冷却ステップの後に、前記熱電複合材料に対して真空アニール熱処理を行うことをさらに含む請求項33載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記真空アニール熱処理の温度が、750℃から1200℃の間である請求項38載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記異原料中の前記酸化物が、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化シリコン、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化ウォルフラム、酸化ランタン、酸化バナジウム、酸化イットリウム、酸化スズ、酸化ニッケル、酸化スカンジウム、酸化タンタル、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化アンチモン、および酸化亜鉛を含む請求項32記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記異原料中の前記窒化物が、窒化ホウ素、窒化ジルコニウム、窒化インジウム、窒化チタン、窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ニオブ、窒化ハフニウム、窒化ウォルフラム、窒化バナジウム、窒化イットリウム、窒化ニッケル、窒化スカンジウム、または窒化タンタルを含む請求項32記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記異原料中の前記炭化物が、炭化ホウ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化シリコン、炭化ニオブ、炭化ハフニウム、炭化ウォルフラム、炭化モリブデン、炭化クロム、または炭化バナジウムを含む請求項32記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記複数の金属原料と前記異原料を調合する前記ステップの後に、前記複数の金属原料と前記異原料を均一に混ぜて、混合物を得ることをさらに含む請求項32記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記複数の金属原料と前記異原料を均一に混ぜる方法が、ボールミル粉砕、攪拌、またはロール練りを含む請求項43記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記高温プロセスを行う前記ステップの前に、
所定の割合に基づいて前記複数の金属原料を調合することと、
前記複数の金属原料を溶融して、溶融物を形成することと、
前記溶融物を急速に冷却することと、
前記溶融物を粉砕している間に前記複数の異原料を追加して、混合物を形成すること
とをさらに含む請求項12記載の複合合金の複合材料を生成する方法。 - 前記高温プロセスを行う前記ステップが、前記混合物を焼結することを含む請求項45記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記混合物を焼結する前記ステップの後に、前記熱電複合材料に対して真空アニール熱処理を行うことをさらに含む請求項45載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記真空アニール熱処理の温度が、750℃から1200℃の間である請求項47載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記異原料中の前記酸化物が、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化シリコン、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化ハフニウム、酸化ウォルフラム、酸化ランタン、酸化バナジウム、酸化イットリウム、酸化スズ、酸化ニッケル、酸化スカンジウム、酸化タンタル、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化アンチモン、および酸化亜鉛を含む請求項45記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記異原料中の前記窒化物が、窒化ホウ素、窒化ジルコニウム、窒化インジウム、窒化チタン、窒化アルミニウム、窒化シリコン、窒化ニオブ、窒化ハフニウム、窒化ウォルフラム、窒化バナジウム、窒化イットリウム、窒化ニッケル、窒化スカンジウム、または窒化タンタルを含む請求項45記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
- 前記異原料中の前記炭化物が、炭化ホウ素、炭化ジルコニウム、炭化チタン、炭化シリコン、炭化ニオブ、炭化ハフニウム、炭化ウォルフラム、炭化モリブデン、炭化クロム、または炭化バナジウムを含む請求項45記載の複合合金の複合材料を生成する方法。
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