JP2012028504A - CaMnO3 TYPE THERMOELECTRIC CONVERSION MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME - Google Patents

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千尋 小島
Kazuki Oguma
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a CaMnOtype thermoelectric conversion material having excellent performance as a thermoelectric conversion material, and a method for producing the CaMnOtype thermoelectric conversion material.SOLUTION: There are provided: a CaMnOtype thermoelectric conversion material having a pore structure therein and satisfying the following (1), (2) and (3) conditions; and a method for producing the CaMnOtype thermoelectric conversion material. (1) A crystallite diameter is in a range of 300 to 550 Å. (2) A relative density is in a range of 60 to 80%. (3) The number of pores existing per unit area (100 μm) is 40-60 in a photograph of a cross-section of the CaMnOtype thermoelectric conversion material. Among the pores, pores having the longest diameter (L) in a range of 300 to 1,600 nm account for 80-100%, pores having the longest diameter (L) of less than 300 nm account for less than 8%, and pores having the longest diameter (L) of more than 1,600 nm account for less than 12%.

Description

本発明は、熱電変換材料として優れた性能を有するCaMnO型熱電変換材料及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a CaMnO 3 type thermoelectric conversion material having excellent performance as a thermoelectric conversion material and a method for producing the same.

従来の発電システムでは、熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、更にその運動エネルギーを電気エネルギーに変換することが行われてきた。このうち、熱を動力に変換する際に、熱力学的な限界があり、利用できるエネルギーが減少し、また、その効率を高くするには少なくとも400℃以上の高温で変換しなければならかった。
そこで、ペルチェ効果やゼーベック効果を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに、または逆に電気エネルギーを熱エネルギーに直接変換する熱電変換による発電が期待されている。熱電変換による発電は、排熱や地熱の有効利用が可能であるため、注目されている。
In conventional power generation systems, heat energy has been converted into kinetic energy, and the kinetic energy has been converted into electrical energy. Of these, there is a thermodynamic limit when converting heat into power, the available energy is reduced, and in order to increase its efficiency, it must be converted at a high temperature of at least 400 ° C. .
Thus, power generation by thermoelectric conversion that directly converts thermal energy into electrical energy or conversely, electrical energy into thermal energy is expected using the Peltier effect or Seebeck effect. Electric power generation by thermoelectric conversion is attracting attention because it enables effective use of exhaust heat and geothermal heat.

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。熱電変換材料の性能は、一般に無次元性能指数(ZT)によって評価することができる。ここで、無次元性能指数(ZT)は、ゼーベック係数(S)、電気伝導率(σ)、熱伝導率(κ)及び絶対温度(T)から、式:ZT=(S×σ×T)/κによって求めることができる。 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. The performance of the thermoelectric conversion material can generally be evaluated by a dimensionless figure of merit (ZT). Here, the dimensionless figure of merit (ZT) is expressed by the formula: ZT = (S 2 × σ × T) from Seebeck coefficient (S), electrical conductivity (σ), thermal conductivity (κ), and absolute temperature (T). ) / Κ.

熱電変換材料としては、例えば、Pb−Te系、Bi−Te系、Si−Ge系、酸化物セラミックス系等の材料が知られている。これらの中で、Pb−Te系及びBi−Te系の化合物半導体は、それぞれ、室温近傍及び300〜500℃の中温域において、優れた熱電特性を示すものの、500℃を超える高温域での使用には適さない。また、材料中に、高価で有害性のある元素(例えば、Te、Sb、Seなど)を含む場合があるといった問題がある。また、Si−Ge系の化合物半導体は、高温域において優れた熱電特性を示し、また、材料中に環境負荷物質を含まないという特徴があるが、耐熱耐久性が低いという問題がある。   As thermoelectric conversion materials, for example, materials such as Pb—Te, Bi—Te, Si—Ge, and oxide ceramics are known. Among these, Pb-Te-based and Bi-Te-based compound semiconductors have excellent thermoelectric properties near room temperature and in the intermediate temperature range of 300 to 500 ° C, respectively, but are used in high temperature ranges exceeding 500 ° C. Not suitable for. Further, there is a problem that the material may contain an expensive and harmful element (for example, Te, Sb, Se, etc.). Si-Ge compound semiconductors have excellent thermoelectric properties at high temperatures and are characterized by not containing environmentally hazardous substances in the material, but have a problem of low heat resistance.

一方、酸化物セラミックス系の熱電変換材料は、材料中に高価で有害性のある元素を必ずしも含まない。また、耐熱耐久性にも優れる。そのため、酸化物セラミックス系の熱電変換材料は、化合物半導体に代わる材料として注目されており、熱電特性の高い新材料やその製造方法について、従来から種々の提案がなされている。   On the other hand, oxide ceramic-based thermoelectric conversion materials do not necessarily contain expensive and harmful elements. Moreover, it is excellent also in heat resistance durability. Therefore, oxide ceramic-based thermoelectric conversion materials are attracting attention as materials that can replace compound semiconductors, and various proposals have been made for new materials having high thermoelectric properties and methods for producing the same.

例えば、特許文献1には、n型熱電変換材料として、ストロンチウムとチタンを含む複合酸化物を主成分とし、かつ所定量の酸素欠損を有する酸化物半導体を用いた電子冷却素子が開示されている。   For example, Patent Document 1 discloses an electronic cooling element using, as an n-type thermoelectric conversion material, an oxide semiconductor containing a composite oxide containing strontium and titanium as a main component and having a predetermined amount of oxygen vacancies. .

また、特許文献2には、ストロンチウム酸化物とチタン酸化物或いはストロンチウム酸化物、バリウム酸化物とチタン酸化物からなる複合酸化物の組成比や構成結晶相(ペロブスカイト型結晶構造)を特定範囲にしたことを特徴とする熱電変換材料が開示されている。   In Patent Document 2, the composition ratio and the constituent crystal phase (perovskite crystal structure) of the composite oxide composed of strontium oxide and titanium oxide or strontium oxide, barium oxide and titanium oxide are set in a specific range. A thermoelectric conversion material characterized by this is disclosed.

特許文献3には、ペロブスカイト(ABO)構造を有し、その組成が、一般式:(AE1−yM1)(Mn1−zM2)O3−δ(但し、AEは、2種以上のアルカリ土類金属元素、M1は、希土類元素並びにBi、Sn、Sb、InおよびPbの内の1種または2種以上の元素、M2は、Ru、Nb、Mo、WおよびTaの内の1種または2種以上の元素、0≦y≦0.5、0≦z≦0.5、y+z>0、−0.5≦δ≦+0.5)で表されるマンガン酸化物からなり、かつ寛容因子が0.7以上1.0以下であることを特徴とする熱電変換材料が開示されている。 Patent Document 3 has a perovskite (ABO 3 ) structure, the composition of which is represented by the general formula: (AE 1-y M1 y ) (Mn 1-z M2 z ) O 3-δ (where AE is 2 More than one kind of alkaline earth metal element, M1 is a rare earth element and one or more elements of Bi, Sn, Sb, In and Pb, M2 is an element of Ru, Nb, Mo, W and Ta 1 or two or more elements, 0 ≦ y ≦ 0.5, 0 ≦ z ≦ 0.5, y + z> 0, −0.5 ≦ δ ≦ + 0.5) In addition, a thermoelectric conversion material having a tolerance factor of 0.7 to 1.0 is disclosed.

また、特許文献4には、組成式(1):Ca Mn で表されるペロブスカイト型カルシウムマンガン系酸化物、または組成式(2):Ca Mn で表される層状ペロブスカイト型カルシウムマンガン系酸化物と、該酸化物中に分散したRu、Rh、Pd、Ag、Re、Os、Ir、PtおよびAuからなる群から選ばれた少なくとも一種の金属微粒子を含む酸化物複合体であって、該金属微粒子の平均粒径が0.1〜10μmであり、該金属微粒子の含有量が該酸化物複合体全体を基準として1〜50重量%であり、該酸化物複合体の密度が理論密度の80%以上であることを特徴とする酸化物複合体が開示されている。その酸化物複合体は、高密度で低い電気抵抗率を有する材料であって、絶対値の大きい負のゼーベック係数を有するものであり、熱電材料の電気的特性を表す指標であるパワーファクターが大きく優れた熱電変換性能を有する材料である。しかも、高強度であって加工性にも優れた材料であることから、歩留まり良く加工でき、しかも使用時の破損も生じ難い材料であるとされている。 Patent Document 4 discloses a perovskite-type calcium manganese oxide represented by composition formula (1): Ca v M 1 w Mn x M 2 y O z , or composition formula (2): Ca a M 3 b. A layered perovskite type calcium manganese oxide represented by Mn c M 4 d O e and selected from the group consisting of Ru, Rh, Pd, Ag, Re, Os, Ir, Pt and Au dispersed in the oxide An oxide composite containing at least one kind of metal fine particles, wherein the metal fine particles have an average particle size of 0.1 to 10 μm, and the content of the metal fine particles is 1 on the basis of the whole oxide composite. An oxide composite characterized in that it is ˜50% by weight and the density of the oxide composite is 80% or more of the theoretical density is disclosed. The oxide composite is a material having a high density and low electrical resistivity, a negative Seebeck coefficient having a large absolute value, and a large power factor that is an index representing the electrical characteristics of the thermoelectric material. It is a material with excellent thermoelectric conversion performance. Moreover, since it is a material having high strength and excellent workability, it is said that it can be processed with a high yield and is not easily damaged during use.

特開平5−198847号公報Japanese Patent Laid-Open No. 5-198847 特開平8−231223号公報JP-A-8-231223 特開2003−142742号公報JP 2003-142742 A 特開2009−117449号公報JP 2009-117449 A

しかしながら、従来の酸化物セラミックス系の熱電変換材料は高い性能を得るためにBi、V、In等の重金属を結晶格子内に置換させるのが一般的であり、結果として高価で希少な元素を使用することになり好ましくない。
そこで、本発明は、カルシウムマンガン系酸化物からなる熱電変換材料(以下、CaMnO型熱電変換材料ともいう)において、高価で希少な元素を結晶格子内に置換させること無く、CaMnO型熱電変換材料の性能、例えば、電気伝導率、ゼーベック係数、熱伝導率が改善されたCaMnO型熱電変換材料およびその製造方法を提供することを目的とする。
However, conventional oxide ceramic thermoelectric conversion materials generally replace heavy metals such as Bi, V, and In in the crystal lattice in order to obtain high performance. As a result, expensive and rare elements are used. This is not preferable.
Accordingly, the present invention provides a thermoelectric conversion material composed of calcium manganese oxide (hereinafter, also referred to as CaMnO 3 type thermoelectric conversion material), without causing the substituted into the crystal lattice of the expensive and rare element, CaMnO 3 type thermoelectric conversion It is an object of the present invention to provide a CaMnO 3 type thermoelectric conversion material having improved material performance, for example, electrical conductivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity, and a method for producing the same.

本発明者らは、上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、特定の条件を具備するCaMnO型熱電変換材料が上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the present inventors have found that a CaMnO 3 type thermoelectric conversion material having specific conditions can achieve the above object, and have completed the present invention.

すなわち、本発明の課題は、下記(1)〜(4)により達成される。
(1)内部に空孔構造を有し、次の1)、2)及び3)の条件を満たすことを特徴とするCaMnO型熱電変換材料。
1)結晶子径が300〜550Åの範囲である。
2)相対密度が60〜80%の範囲である。
3)該CaMnO型熱電変換材料の断面写真において、単位面積(100μm)当り存在する空孔の個数が40〜60個であり、そのうち最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある空孔が80〜100%、最長径(L)が300nm未満の空孔が8%未満、最長径(L)が1600nmを超える空孔が12%未満である。
(2)前記最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある空孔のアスペクト比の平均値が2.0〜4.0の範囲にあることを特徴とする前記(1)に記載のCaMnO型熱電変換材料。
(3)前記最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある空孔と最も近接した空孔との距離の平均値が300〜500nmの範囲にあることを特徴とする前記(1)又は(2)に記載のCaMnO型熱電変換材料。
(4)下記(I)〜(VI)の工程を含むことを特徴とする前記(1)〜(3)のいずれかに記載のCaMnO型熱電変換材料の製造方法。
(I)カルシウム化合物とマンガン化合物とを湿式粉砕して平均粒子径0.3μm以下のスラリーを調製する工程
(II)前記工程(I)で得られたスラリーを乾燥し、粉体を調製する工程
(III)前記工程(II)で得られた粉体を500〜1000℃で仮焼成し、仮焼成粉体を調製する工程
(IV)前記工程(III)で得られた仮焼成粉体を湿式粉砕して平均粒子径0.1〜3.0μmのスラリーを調製する工程
(V)前記工程(IV)で得られたスラリーを乾燥し、平均粒子径5〜30μmのCaMnO粒子を得る工程
(VI)前記工程(V)で得られたCaMnO粒子を成形し、950〜1200℃で焼成してCaMnO焼結体を得る工程
That is, the subject of this invention is achieved by following (1)-(4).
(1) A CaMnO 3 type thermoelectric conversion material having a pore structure inside and satisfying the following conditions 1), 2) and 3).
1) The crystallite diameter is in the range of 300 to 550 mm.
2) The relative density is in the range of 60 to 80%.
3) In the cross-sectional photograph of the CaMnO 3 type thermoelectric conversion material, the number of pores existing per unit area (100 μm 2 ) is 40-60, and the longest diameter (L) is in the range of 300-1600 nm. The pores are 80 to 100%, the longest diameter (L) is less than 300 nm, less than 8%, and the longest diameter (L) is more than 1600 nm.
(2) CaMnO according to (1) above, wherein the average value of the aspect ratio of the pores having the longest diameter (L) in the range of 300 to 1600 nm is in the range of 2.0 to 4.0. Type 3 thermoelectric conversion material.
(3) The above-mentioned (1) or (1), wherein the average value of the distance between the hole having the longest diameter (L) in the range of 300 to 1600 nm and the closest hole is in the range of 300 to 500 nm CaMnO 3 type thermoelectric conversion material as described in 2).
(4) The method for producing a CaMnO 3 type thermoelectric conversion material according to any one of (1) to (3), comprising the following steps (I) to (VI):
(I) A step of preparing a slurry having an average particle size of 0.3 μm or less by wet-grinding a calcium compound and a manganese compound (II) A step of drying the slurry obtained in the step (I) to prepare a powder (III) Step of pre-baking the powder obtained in the step (II) at 500 to 1000 ° C. to prepare the pre-fired powder (IV) Wet the pre-fired powder obtained in the step (III) A step of pulverizing to prepare a slurry having an average particle size of 0.1 to 3.0 μm (V) A step of drying the slurry obtained in the step (IV) to obtain CaMnO 3 particles having an average particle size of 5 to 30 μm ( VI) A step of forming the CaMnO 3 particles obtained in the step (V) and firing at 950 to 1200 ° C. to obtain a CaMnO 3 sintered body.

本発明によれば、高価で希少な元素を結晶格子内に置換させること無く、CaMnO型熱電変換材料の性能、例えば、電気伝導率、ゼーベック係数、熱伝導率が改善されたCaMnO型熱電変換材料およびその製造方法を提供することができる。 According to the present invention, without thereby replacing the expensive and rare element in the crystal lattice, the performance of CaMnO 3 type thermoelectric conversion material, for example, electrical conductivity, Seebeck coefficient, CaMnO 3 type thermoelectric thermal conductivity is improved A conversion material and a method for producing the same can be provided.

実施例1のCaMnO型熱電変換材料のFE−SEM写真である。2 is an FE-SEM photograph of the CaMnO 3 type thermoelectric conversion material of Example 1. FIG. 比較例1のCaMnO型熱電変換材料のFE−SEM写真である。 3 is an FE-SEM photograph of a CaMnO 3 type thermoelectric conversion material of Comparative Example 1. 比較例2のCaMnO型熱電変換材料のFE−SEM写真である。4 is an FE-SEM photograph of a CaMnO 3 type thermoelectric conversion material of Comparative Example 2.

(CaMnO型熱電変換材料)
本発明に係るCaMnO型熱電変換材料は、CaMnO焼結体からなるものであって、内部に空孔構造を有し、次の1)、2)及び3)の条件を満たすものである。
1)結晶子径が300〜550Åの範囲である。
2)相対密度が60〜80%の範囲である。
3)該CaMnO型熱電変換材料の断面写真において、単位面積(100μm)当り存在する空孔の個数が40〜60個であり、そのうち最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある空孔が80〜100%、最長径(L)が300nm未満の空孔が8%未満、最長径(L)が1600nmを超える空孔が12%未満である。
ここで空孔の最長径(L)とは、前記断面写真上に存在する空孔の断面構造の外縁部上の2点を結ぶ線分(なお、該線分は空孔の外縁内部のみを通過するものに限る)のうち、その長さが最大のものを意味する。
(CaMnO 3 type thermoelectric conversion material)
The CaMnO 3 type thermoelectric conversion material according to the present invention is made of a CaMnO 3 sintered body, has a pore structure inside, and satisfies the following conditions 1), 2) and 3). .
1) The crystallite diameter is in the range of 300 to 550 mm.
2) The relative density is in the range of 60 to 80%.
3) In the cross-sectional photograph of the CaMnO 3 type thermoelectric conversion material, the number of pores existing per unit area (100 μm 2 ) is 40-60, and the longest diameter (L) is in the range of 300-1600 nm. The pores are 80 to 100%, the longest diameter (L) is less than 300 nm, less than 8%, and the longest diameter (L) is more than 1600 nm.
Here, the longest diameter (L) of the hole is a line segment connecting two points on the outer edge of the cross-sectional structure of the hole existing on the cross-sectional photograph (note that the line segment is only inside the outer edge of the hole. Means the one with the longest length.

前記CaMnO焼結体は、CaMnOを主成分とする金属複合酸化物から形成され、一般式CaMnO3−xで表わされるものである。 The CaMnO 3 sintered body is formed of a metal composite oxide containing CaMnO 3 as a main component and is represented by a general formula CaMnO 3-x .

本発明において、前記CaMnO焼結体の結晶子径は、300〜550Åであり、好ましくは350〜500Åの範囲であり、最も好ましくは460〜500Åの範囲である。結晶子径が300Å以上であると高い電気伝導率とゼーベック係数を維持でき、550Å以下であると焼結体の機械的強度を増すことができる。 In the present invention, the CaMnO 3 sintered body has a crystallite diameter of 300 to 550 mm, preferably 350 to 500 mm, and most preferably 460 to 500 mm. When the crystallite diameter is 300 mm or more, high electrical conductivity and Seebeck coefficient can be maintained, and when it is 550 mm or less, the mechanical strength of the sintered body can be increased.

そして、CaMnO焼結体の相対密度は、60〜80%であり、好ましくは65〜80%の範囲であり、最も好ましくは70〜80%の範囲である。相対密度が上記範囲であると、緻密性が増すため電気伝導率が向上するとともに熱伝導率の上昇を抑えることができる。 The relative density of CaMnO 3 sintered body is 60-80%, preferably in the range of 65% to 80%, and most preferably in the range of 70-80%. When the relative density is in the above range, the denseness is increased, so that the electrical conductivity is improved and the increase in the thermal conductivity can be suppressed.

また、本発明において、CaMnO型熱電変換材料の断面写真において、単位面積(100μm)当り存在する空孔の個数は40〜60個であり、46〜57個が好ましい。前記空孔のうち、最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある空孔の個数割合が80〜100%、最長径(L)が300nm未満の空孔の個数割合が8%未満、最長径(L)が1600nmを超える空孔の個数割合が12%未満である。最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある空孔の個数割合は90〜95%であることが好ましく、最長径(L)が300nm未満の空孔の個数割合は6%未満であることが好ましく、最長径(L)が1600nmを超える空孔の個数割合は8%未満であることが好ましい。上記範囲とすることで、電気伝導率を著しく低下させずに、熱伝導率の上昇を抑えることができる。 In the present invention, in the cross-sectional photograph of the CaMnO 3 type thermoelectric conversion material, the number of holes present per unit area (100 μm 2 ) is 40 to 60, preferably 46 to 57. Among the pores, the number ratio of holes having the longest diameter (L) in the range of 300 to 1600 nm is 80 to 100%, the number ratio of holes having the longest diameter (L) of less than 300 nm is less than 8%, The ratio of the number of holes whose major axis (L) exceeds 1600 nm is less than 12%. The ratio of the number of holes having the longest diameter (L) in the range of 300 to 1600 nm is preferably 90 to 95%, and the ratio of the number of holes having the longest diameter (L) of less than 300 nm is less than 6%. It is preferable that the number ratio of the holes having the longest diameter (L) exceeding 1600 nm is less than 8%. By setting it as the said range, the raise of heat conductivity can be suppressed, without reducing electrical conductivity remarkably.

上記構成とすることで、高価で希少な元素を結晶格子内に置換させること無く、電気伝導率、ゼーベック係数、熱伝導率が改善されたCaMnO型熱電変換材料を得ることができる。 With the above configuration, a CaMnO 3 type thermoelectric conversion material with improved electrical conductivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity can be obtained without replacing expensive and rare elements in the crystal lattice.

前記CaMnO型熱電変換材料において、前記最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある空孔のアスペクト比の平均値は、2.0〜4.0の範囲にあることが好ましい。アスペクト比の平均値がこの範囲にある場合、前記断面写真における空孔構造は、楕円形を始めとする非円形構造をとるものが大半となる。作用機構については明らかではないが、空孔断面が円形構造の場合より、非円形構造の場合の方が電気伝導率を著しく低下させずに、熱伝導率の上昇を抑えることができる。 In the CaMnO 3 type thermoelectric conversion material, the average value of the aspect ratio of the pores having the longest diameter (L) in the range of 300 to 1600 nm is preferably in the range of 2.0 to 4.0. When the average value of the aspect ratio is within this range, most of the hole structures in the cross-sectional photograph have a non-circular structure including an ellipse. Although the mechanism of action is not clear, an increase in thermal conductivity can be suppressed without significantly reducing electrical conductivity in the case of a non-circular structure compared to a case where the hole cross section has a circular structure.

前記CaMnO型熱電変換材料において、前記最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある空孔と最も近接した空孔との距離の平均値が300〜500nmの範囲にあることが好ましい。該平均距離が300nm未満の場合、熱伝導率の上昇を抑制し難くなる。また、該平均距離が500nmを超える場合、熱伝導率を抑制できるものの、電気伝導率が低下する傾向が強まる。 In the CaMnO 3 type thermoelectric conversion material, it is preferable that the average value of the distance between the hole having the longest diameter (L) in the range of 300 to 1600 nm and the closest hole is in the range of 300 to 500 nm. When the average distance is less than 300 nm, it is difficult to suppress an increase in thermal conductivity. Moreover, when this average distance exceeds 500 nm, although heat conductivity can be suppressed, the tendency for electrical conductivity to fall becomes strong.

(CaMnO型熱電変換材料の製造方法)
次に、CaMnO型熱電変換材料の製造方法について説明する。
本発明に係るCaMnO型熱電変換材料の製造方法は、(I)カルシウム化合物とマンガン化合物とを湿式粉砕して平均粒子径0.3μm以下のスラリーを調製する工程、(II)前記工程(I)で得られたスラリーを乾燥し、粉体を調製する工程、(III)前記工程(II)で得られた粉体を500〜1000℃で仮焼成し、仮焼成粉体を調製する工程、(IV)前記工程(III)で得られた仮焼成粉体を湿式粉砕して平均粒子径0.1〜3.0μmのスラリーを調製する工程、(V)前記工程(IV)で得られたスラリーを乾燥し、平均粒子径5〜30μmのCaMnO粒子を得る工程、(VI)前記工程(V)で得られたCaMnO粒子を成形し、950〜1200℃で焼成してCaMnO焼結体を得る工程、を備える。
(Method for producing CaMnO 3 type thermoelectric conversion material)
Next, a method for producing a CaMnO 3 type thermoelectric conversion material will be described.
The method for producing a CaMnO 3 type thermoelectric conversion material according to the present invention comprises (I) a step of wet-pulverizing a calcium compound and a manganese compound to prepare a slurry having an average particle size of 0.3 μm or less, (II) the step (I ) Drying the slurry obtained in step (ii) to prepare powder, (III) step of pre-baking the powder obtained in step (II) at 500 to 1000 ° C. to prepare a pre-baked powder, (IV) A step of preparing a slurry having an average particle size of 0.1 to 3.0 μm by wet-grinding the temporarily fired powder obtained in the step (III), and (V) obtained in the step (IV). The slurry is dried to obtain CaMnO 3 particles having an average particle diameter of 5 to 30 μm. (VI) The CaMnO 3 particles obtained in the step (V) are formed and fired at 950 to 1200 ° C. to be sintered with CaMnO 3. Obtaining a body.

<工程(I)>
本発明のCaMnO型熱電変換材料の製造方法において、まず、カルシウム化合物とマンガン化合物とを溶媒に分散させて湿式粉砕し、前駆体となる平均粒子径0.3μm以下のスラリーを調製する。
本発明で使用されるカルシウム化合物としては、特に制限はないが、例えば、炭酸カルシウム(CaCO)、硝酸カルシウム(Ca(NO)、シュウ酸カルシウム(CaC)、酢酸カルシウム(Ca(CHCOO))、水酸化カルシウム(Ca(OH))、酸化カルシウム(CaO)、金属アルコキシド、金属単体等が挙げられ、1種を単独で用いてもよく2種以上を組み合わせて用いてもよい。
本発明で使用されるマンガン化合物としては、特に制限はないが、例えば、炭酸マンガン(MnCO)、硝酸マンガン(Mn(NO)、シュウ酸マンガン(MnC)、酢酸マンガン(Mn(CHCOO))、酸化マンガン(MnO、MnO、Mn、Mn)、金属アルコキシド、金属担体等が挙げられ、1種を単独で用いてもよく2種以上を組み合わせて用いてもよい。
<Process (I)>
In the method for producing a CaMnO 3 type thermoelectric conversion material of the present invention, first, a calcium compound and a manganese compound are dispersed in a solvent and wet pulverized to prepare a slurry having an average particle size of 0.3 μm or less as a precursor.
The calcium compound used in the present invention is not particularly limited. For example, calcium carbonate (CaCO 3 ), calcium nitrate (Ca (NO 3 ) 2 ), calcium oxalate (CaC 2 O 4 ), calcium acetate ( Ca (CH 3 COO) 2 ), calcium hydroxide (Ca (OH) 2 ), calcium oxide (CaO), metal alkoxide, single metal, etc., may be used alone or in combination of two or more May be used.
The manganese compound used in the present invention is not particularly limited. For example, manganese carbonate (MnCO 3 ), manganese nitrate (Mn (NO 3 ) 2 ), manganese oxalate (MnC 2 O 4 ), manganese acetate ( Mn (CH 3 COO) 2 ), manganese oxide (MnO, MnO 2 , Mn 2 O 3 , Mn 3 O 4 ), metal alkoxide, metal carrier and the like may be mentioned, and one kind may be used alone or two or more kinds May be used in combination.

カルシウム化合物とマンガン化合物の配合比は、カルシウムとマンガンのモル比(Ca/Mn)で0.98〜1.02となるようにすることが好ましく0.99〜1.01がより好ましい。カルシウム化合物とマンガン化合物の配合量が上記範囲内であると副生成物を抑制できるため好ましい。   The compounding ratio of the calcium compound and the manganese compound is preferably 0.98 to 1.02 in terms of the molar ratio of calcium to manganese (Ca / Mn), and more preferably 0.99 to 1.01. It is preferable that the amount of the calcium compound and the manganese compound is within the above range because by-products can be suppressed.

前記カルシウム化合物とマンガン化合物を分散させる溶媒としては、水系溶媒を好適に用いることができる。水系溶媒としては、例えば、イオン交換水、蒸留水、精製水、超純水、水道水等が挙げられ、中でも、不純物元素を含まないという理由から、イオン交換水、蒸留水、超純水を使用するのが好ましい。
また、前記溶媒の配合量は、カルシウム化合物とマンガン化合物の合計量を100質量部としたときに、233〜1900質量部とすることが好ましく、300〜900質量部がより好ましく、567〜900質量部が特に好ましい。前記溶媒の配合量が上記範囲内であると、歩留まり良く粉砕・乾燥できるため好ましい。
As the solvent for dispersing the calcium compound and the manganese compound, an aqueous solvent can be suitably used. Examples of the aqueous solvent include ion-exchanged water, distilled water, purified water, ultrapure water, and tap water. Among them, ion-exchanged water, distilled water, and ultrapure water are used because they do not contain impurity elements. It is preferred to use.
Moreover, when the total amount of the calcium compound and the manganese compound is 100 parts by mass, the amount of the solvent is preferably 233 to 1900 parts by mass, more preferably 300 to 900 parts by mass, and 567 to 900 parts by mass. Part is particularly preferred. A blending amount of the solvent within the above range is preferable because it can be pulverized and dried with good yield.

湿式粉砕は、例えば、湿式ビーズミル、ボールミル、アトライター、振動ミルなどが好ましく用いられ、粉砕効率の点から湿式ビーズミルを使用することが好ましい。
工程(I)において、湿式粉砕により得られるスラリー中のカルシウム化合物およびマンガン化合物の平均粒子径(前駆体平均粒子径)は、0.3μm以下とする。スラリー中の前駆体平均粒子径が0.3μm以下であると、原料粉体が均一に粉砕混合される。
尚、湿式粉砕による粉砕の際に前駆体平均粒子径を制御する方法としては、例えば、粉砕時間を調節する方法、ビーズ等の粉砕媒体の粒径を変える方法、粉砕エネルギーを調節する方法、固形分濃度を薄める方法、これらを組み合わせる方法などを採用することができる。湿式粉砕に要する時間については、製造スケールの影響があるので、一概に言えるものではないが、通常は1〜10時間の範囲が推奨される。また、更に好ましくは、3〜7時間の範囲が推奨される。
As the wet pulverization, for example, a wet bead mill, a ball mill, an attritor, a vibration mill or the like is preferably used, and a wet bead mill is preferably used from the viewpoint of pulverization efficiency.
In the step (I), the average particle size (precursor average particle size) of the calcium compound and the manganese compound in the slurry obtained by wet pulverization is 0.3 μm or less. When the average particle diameter of the precursor in the slurry is 0.3 μm or less, the raw material powder is uniformly pulverized and mixed.
The method for controlling the average particle size of the precursor during pulverization by wet pulverization includes, for example, a method of adjusting the pulverization time, a method of changing the particle size of a pulverizing medium such as beads, a method of adjusting pulverization energy, A method of diluting the partial concentration, a method of combining these, or the like can be employed. The time required for the wet pulverization is not generally described because of the influence of the production scale, but usually a range of 1 to 10 hours is recommended. More preferably, a range of 3 to 7 hours is recommended.

<工程(II)>
次に、前記工程(I)で得られたスラリーを乾燥し、粉体を調製する。
スラリーの乾燥方法としては特に制限はないが、例えば、スラリーを容器に入れて加熱、乾燥させる方法、スプレードライヤーで乾燥させる方法、スラリードライヤーで乾燥させる方法等が挙げられる。
乾燥温度としては、特に制限は無いが100〜250℃が好ましく、水分濃度5%以下の状態になるまで乾燥工程を継続させればよい。
<Process (II)>
Next, the slurry obtained in the step (I) is dried to prepare a powder.
Although there is no restriction | limiting in particular as a drying method of a slurry, For example, the method of putting a slurry in a container and heating and drying, the method of drying with a spray dryer, the method of drying with a slurry dryer, etc. are mentioned.
Although there is no restriction | limiting in particular as drying temperature, 100-250 degreeC is preferable and what is necessary is just to continue a drying process until it will be in a state whose water concentration is 5% or less.

<工程(III)>
次に、前記工程(II)で得られた粉体を仮焼成し、仮焼成粉体を調製する。
この仮焼成は、原料を加熱分解しCaMnOを得る目的で行なわれる。仮焼成の温度は、500〜1000℃であり、600〜900℃が好ましく、750〜850℃がより好ましい。仮焼成温度が500℃以上であると、原料の分解によってCaMnOの粒子成長がおきやすくなり、仮焼成温度が1000℃以下であると、CaMnOの粒子成長をほどよく抑制できる。
仮焼成の時間は2〜8時間が好ましく、3〜7時間がより好ましく、4〜6時間が特に好ましい。仮焼成時間が2時間以上であると原料の分解が十分に進行し、8時間以下であるとCaMnOの粒子成長をほどよく抑制できるため好ましい。
<Process (III)>
Next, the powder obtained in the step (II) is temporarily fired to prepare a temporarily fired powder.
This calcination is performed for the purpose of thermally decomposing the raw material to obtain CaMnO 3 . The temperature of temporary baking is 500-1000 degreeC, 600-900 degreeC is preferable and 750-850 degreeC is more preferable. When the calcination temperature is 500 ° C. or higher, CaMnO 3 particle growth is likely to occur due to decomposition of the raw material, and when the calcination temperature is 1000 ° C. or less, CaMnO 3 particle growth can be moderately suppressed.
The calcination time is preferably 2 to 8 hours, more preferably 3 to 7 hours, and particularly preferably 4 to 6 hours. When the pre-baking time is 2 hours or longer, the decomposition of the raw material proceeds sufficiently, and when it is 8 hours or shorter, the CaMnO 3 particle growth can be moderately suppressed.

<工程(IV)>
次に、前記工程(III)で得られた仮焼成粉体に溶媒を加えて湿式粉砕し、平均粒子径0.1〜3.0μmのスラリーを調製する。
工程(IV)で使用される溶媒としては、水系溶媒を好適に用いることができる。水系溶媒としては、例えば、イオン交換水、蒸留水、精製水、超純水、水道水等が挙げられ、中でも、不純物元素を含まないという理由から、イオン交換水、蒸留水、超純水を使用するのが好ましい。
前記溶媒の配合量は、前記工程(III)で得た仮焼成粉体100質量部に対して、200〜1900質量部とすることが好ましく、300〜900質量部がより好ましく、500〜900質量部が特に好ましい。前記溶媒の配合量が上記範囲内であると、歩留まり良く粉砕・乾燥できるため好ましい。
<Process (IV)>
Next, a solvent is added to the calcined powder obtained in the step (III) and wet pulverized to prepare a slurry having an average particle size of 0.1 to 3.0 μm.
As the solvent used in step (IV), an aqueous solvent can be suitably used. Examples of the aqueous solvent include ion-exchanged water, distilled water, purified water, ultrapure water, and tap water. Among them, ion-exchanged water, distilled water, and ultrapure water are used because they do not contain impurity elements. It is preferred to use.
The blending amount of the solvent is preferably 200 to 1900 parts by weight, more preferably 300 to 900 parts by weight, and more preferably 500 to 900 parts by weight with respect to 100 parts by weight of the temporarily fired powder obtained in the step (III). Part is particularly preferred. A blending amount of the solvent within the above range is preferable because it can be pulverized and dried with good yield.

また、工程(IV)において、成型性を向上させるためにバインダーを加えることが好ましい。このようなバインダーとしては、例えば、ポリビニルアルコール、アクリル樹脂、メチルセルロース等が挙げられ、中でも好ましくは、無機物に対する接着性が大きいという理由からポリビニルアルコールを使用することが好ましい。
バインダーは、仮焼成粉体100質量部に対して1〜10質量部とすることが好ましく、2〜8質量部がより好ましく、3〜5質量部が特に好ましい。バインダーの添加量が上記範囲であると、成型性が向上するため好ましい。
In step (IV), it is preferable to add a binder in order to improve moldability. Examples of such a binder include polyvinyl alcohol, acrylic resin, methyl cellulose, and the like. Among them, it is preferable to use polyvinyl alcohol because of its high adhesiveness to inorganic substances.
The binder is preferably 1 to 10 parts by mass, more preferably 2 to 8 parts by mass, and particularly preferably 3 to 5 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the calcined powder. It is preferable for the amount of binder added to be in the above range since the moldability is improved.

湿式粉砕の方法は、例えば、湿式ビーズミル、ボールミル、アトライター、振動ミルなどが好ましく用いられ、粉砕効率の点から湿式ビーズミルを使用することが好ましい。
工程(IV)において、湿式粉砕により得られるスラリー中の仮焼成粉体の平均粒子径は、0.1〜3.0μmであり、0.5〜2.5μmであることが好ましく、0.8〜1.5μmであることがより好ましい。スラリー中の仮焼成粉体の平均粒子径が上記の範囲であると、焼結後の成型体の機械的強度を増すことができる。
尚、湿式粉砕による粉砕の際に平均粒子径を制御する方法としては、例えば、粉砕時間を調節する方法、ビーズ等の粉砕媒体の粒径を変える方法、粉砕エネルギーを調節する方法、固形分濃度を薄める方法、これらを組み合わせる方法などを採用することができる。
As the wet pulverization method, for example, a wet bead mill, a ball mill, an attritor, a vibration mill or the like is preferably used, and a wet bead mill is preferably used from the viewpoint of pulverization efficiency.
In the step (IV), the average particle size of the temporarily fired powder in the slurry obtained by wet pulverization is 0.1 to 3.0 μm, preferably 0.5 to 2.5 μm, 0.8 More preferably, it is -1.5 micrometers. When the average particle size of the temporarily fired powder in the slurry is within the above range, the mechanical strength of the molded body after sintering can be increased.
The method for controlling the average particle size during pulverization by wet pulverization includes, for example, a method for adjusting the pulverization time, a method for changing the particle size of a pulverizing medium such as beads, a method for adjusting the pulverization energy, and a solid content concentration. It is possible to adopt a method of thinning, a method of combining these, and the like.

<工程(V)>
次に、前記工程(IV)で得られたスラリーを乾燥し、CaMnO粒子を得る。
スラリーを乾燥する方法としては、公知の乾燥方法を適宜選択して採用することができ、例えば、噴霧乾燥、真空乾燥、ドラム乾燥などを挙げることができる。このうち、粒子が球状になる点から、噴霧乾燥が好ましい。
噴霧乾燥の場合、前記工程(IV)で得たスラリーを噴霧乾燥機に導入して行う。条件としては、噴霧乾燥機入口温度を200〜250℃、好ましくは210〜240℃、特に好ましくは220〜230℃の範囲とし、出口温度を100〜150℃、好ましくは110〜140℃、特に好ましくは110〜120℃の範囲とする。入口温度および出口温度を上記範囲とすることにより、歩留まり良く乾燥することができる。
<Process (V)>
Next, the slurry obtained in the step (IV) is dried to obtain CaMnO 3 particles.
As a method for drying the slurry, a known drying method can be appropriately selected and employed, and examples thereof include spray drying, vacuum drying, and drum drying. Of these, spray drying is preferred because the particles are spherical.
In the case of spray drying, the slurry obtained in the step (IV) is introduced into a spray dryer. As conditions, the spray dryer inlet temperature is 200 to 250 ° C, preferably 210 to 240 ° C, particularly preferably 220 to 230 ° C, and the outlet temperature is 100 to 150 ° C, preferably 110 to 140 ° C, particularly preferably. Is in the range of 110-120 ° C. By setting the inlet temperature and the outlet temperature in the above ranges, drying can be performed with good yield.

このようにして工程(V)において調製されたCaMnO粒子の平均粒子径は、5〜30μmであり、好ましくは10〜20μm、特に好ましくは12〜18μmである。 Thus, the average particle diameter of the CaMnO 3 particles prepared in the step (V) is 5 to 30 μm, preferably 10 to 20 μm, particularly preferably 12 to 18 μm.

<工程(VI)>
最後に、前記工程(V)で得られたCaMnO粒子を成形し、焼成することによりCaMnO焼結体を得る。
成形体を成形する方法としてはとくに制限されないが、例えば、一軸加圧成型する方法、等方加圧成型する方法、射出成型する方法、シート成形する方法等が挙げられる。
<Process (VI)>
Finally, the CaMnO 3 particles obtained in the step (V) are formed and fired to obtain a CaMnO 3 sintered body.
Although it does not restrict | limit especially as a method of shape | molding a molded object, For example, the method of uniaxial pressure molding, the method of isotropic pressure molding, the method of injection molding, the method of sheet forming, etc. are mentioned.

焼成温度は、950〜1200℃で行い、1000〜1150℃が好ましく、1050〜1100℃がより好ましい。焼成温度が950℃以上であると、CaMnO粒子を十分に焼結することができ、焼成温度が1200℃以下であると、CaMnO焼結体の内部応力を緩和し、機械的強度を増すことができる。 The firing temperature is 950 to 1200 ° C, preferably 1000 to 1150 ° C, and more preferably 1050 to 1100 ° C. When the firing temperature is 950 ° C. or higher, CaMnO 3 particles can be sufficiently sintered, and when the firing temperature is 1200 ° C. or lower, the internal stress of the CaMnO 3 sintered body is relaxed and the mechanical strength is increased. be able to.

上記工程(I)〜(VI)により、大きさの制御されたCaMnO粒子が適度に焼結することでCaMnO焼結体の内部には非球状の空孔が形成される。そして、そのCaMnO焼結体は、1)その焼結体の結晶子径が300〜550Å、2)焼結体の相対密度が60〜80%、3)該CaMnO型熱電変換材料の断面写真において、単位面積(100μm)当り存在する空孔の個数が40〜60個であり、そのうち最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある空孔が80〜100%、最長径(L)が300nm未満の空孔が8%未満、最長径(L)が1600nmを超える空孔が12%未満となる。
また、前記最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある空孔のアスペクト比の平均値が2.0〜4.0の範囲にあり、前記最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある空孔と最も近接した空孔との距離の平均値が300〜500nmの範囲にあるCaMnO型熱電変換材料となり、高価で希少な元素を結晶格子内に置換させること無く、電気伝導率、ゼーベック係数、熱伝導率が改善されたものとなる。
By the above steps (I) to (VI), CaMnO 3 particles having a controlled size are appropriately sintered, whereby non-spherical pores are formed inside the CaMnO 3 sintered body. And the CaMnO 3 sintered body 1) The crystallite diameter of the sintered body is 300 to 550 mm, 2) The relative density of the sintered body is 60 to 80%, and 3) The cross section of the CaMnO 3 type thermoelectric conversion material In the photograph, the number of pores existing per unit area (100 μm 2 ) is 40-60, of which the longest diameter (L) is in the range of 300-1600 nm, 80-100%, and the longest diameter (L ) Is less than 8% of vacancies less than 300 nm, and less than 12% of vacancies having a longest diameter (L) exceeding 1600 nm.
Further, the average value of the aspect ratio of the pores having the longest diameter (L) in the range of 300 to 1600 nm is in the range of 2.0 to 4.0, and the longest diameter (L) is in the range of 300 to 1600 nm. It becomes CaMnO 3 type thermoelectric conversion material in which the average value of the distance between a certain vacancy and the nearest vacancy is in the range of 300 to 500 nm, without replacing expensive and rare elements in the crystal lattice, electrical conductivity, The Seebeck coefficient and thermal conductivity are improved.

以下、本発明を実施例および比較例によりさらに説明するが、本発明は下記例に制限されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example and a comparative example further demonstrate this invention, this invention is not restrict | limited to the following example.

実施例および比較例において採用した測定方法と分析方法は次の通りである。
[平均粒子径]
レーザー回折/散乱方式粒度分布測定装置(株式会社堀場製作所製:LA−700)にイオン交換水を投入し、試料を透過率75〜95%となるよう加えた。その後、2wt%ヘキサメタリン酸ナトリウム水溶液約20mlを加えて1分間超音波分散を行い、平均粒子径を測定した。
The measurement methods and analysis methods employed in the examples and comparative examples are as follows.
[Average particle size]
Ion exchange water was added to a laser diffraction / scattering particle size distribution analyzer (Horiba, Ltd .: LA-700), and the sample was added so that the transmittance was 75 to 95%. Thereafter, about 20 ml of a 2 wt% sodium hexametaphosphate aqueous solution was added and subjected to ultrasonic dispersion for 1 minute, and the average particle size was measured.

[結晶子径]
高温X線回折装置(株式会社リガク製)を用いて、室温、大気下の条件で測定し、得られたCaMnOX線回折図形の内(112)面に帰属される回折ピークより結晶子径を算出した。
[Crystallite diameter]
Using a high-temperature X-ray diffractometer (manufactured by Rigaku Corporation), the crystallite diameter is determined from the diffraction peak attributed to the (112) plane of the CaMnO 3 X-ray diffraction pattern obtained by measurement under conditions of room temperature and atmosphere. Was calculated.

[相対密度]
CaMnO焼結体の焼結密度(実測密度:ρ1)は、まず、CaMnO焼結体を精密切断装置(株式会社マルトー製)を用いて切断し、該CaMnO焼結体を120℃、16時間乾燥機で乾燥した。該CaMnO焼結体の寸法をマイクロメーターで計測し、重量を電子天秤で秤量し、重量/寸法にて計算した。理論密度(ρ2)はB.J.J.Phys.chem.solids 67(2006)1595に記載されているCaMnOの計算密度4.577g/cmを採用し、(ρ1)/(ρ2)×100の比率(%)に換算して相対密度を求めた。
[Relative density]
Sintered density (measured density: .rho.1) of CaMnO 3 sintered body, first, cut with precision cutting device CaMnO 3 sintered body (KK maltose), the CaMnO 3 sintered to 120 ° C., It dried with the dryer for 16 hours. The dimensions of the CaMnO 3 sintered body were measured with a micrometer, the weight was weighed with an electronic balance, and the weight / dimension was calculated. The theoretical density (ρ2) J. et al. J. et al. Phys. chem. The calculated density of CaMnO 3 described in solids 67 (2006) 1595, 4.577 g / cm 3, was adopted and converted into a ratio (%) of (ρ1) / (ρ2) × 100 to obtain the relative density.

[ゼーベック係数および電気伝導率]
熱電特性測定装置(オザワ科学株式会社製)を用いて、大気雰囲気、800℃でのゼーベック係数(μV/K)および電気伝導率(S/cm)を求めた。
[Seebeck coefficient and electrical conductivity]
Using a thermoelectric property measuring apparatus (Ozawa Science Co., Ltd.), the Seebeck coefficient (μV / K) and electrical conductivity (S / cm) at 800 ° C. in the air atmosphere were determined.

[熱伝導率]
熱伝導率はレーザーフラッシュ法により算出した。熱伝導率測定装置(アルバック理工株式会社製)により真空雰囲気、800℃での熱伝導率(W/mK)を測定した。
[Thermal conductivity]
The thermal conductivity was calculated by the laser flash method. The thermal conductivity (W / mK) at 800 ° C. in a vacuum atmosphere was measured with a thermal conductivity measuring device (manufactured by ULVAC-RIKO).

[無次元性能指数]
無次元性能指数(ZT)は、ゼーベック係数(S)、電気伝導率(σ)、熱伝導率(κ)及び絶対温度(T)から、下記式により求めた。
ZT=(S×σ×T)/κ
[Dimensionless figure of merit]
The dimensionless figure of merit (ZT) was determined by the following formula from the Seebeck coefficient (S), electrical conductivity (σ), thermal conductivity (κ), and absolute temperature (T).
ZT = (S 2 × σ × T) / κ

[空孔個数]
単位面積(100μm)当りの空孔個数は、CaMnO焼結体をクロスセクションポリッシャー(日本電子株式会社製)でイオン研磨した後、電界放射型電子顕微鏡写真(倍率10,000倍)により写真撮影して得られた写真投影図において、それぞれ縦10μm×横10μmの領域に存在する空孔の個数を測定した。この空孔個数の測定を任意の領域10箇所についてそれぞれ行い、その平均値を単位面積(100μm)当りの空孔個数とした。
[Number of holes]
The number of pores per unit area (100 μm 2 ) is obtained by ion-polishing a CaMnO 3 sintered body with a cross section polisher (manufactured by JEOL Ltd.) and then by a field emission electron micrograph (magnification 10,000 times). In the photographic projections obtained by photographing, the number of vacancies existing in a region of 10 μm length × 10 μm width was measured. The measurement of the number of holes was performed for 10 arbitrary regions, and the average value was defined as the number of holes per unit area (100 μm 2 ).

[空孔の最長径(L)及び空孔の個数割合(%)]
前記空孔個数測定の際に、それぞれ各空孔の最長径(L)を測定し、空孔の個数、最長径300〜1600nmの範囲の空孔の個数、最長径300nm未満の空孔の個数及び最長径1600nmを超える空孔の個数を求めた。この空孔の最長径の測定を前記空孔個数測定の場合と同様に任意の領域10箇所について行い、各最長径範囲に対応する空孔の個数を合計し、各最長径範囲に対応する空孔の個数の割合を算定した。
[Longest diameter of holes (L) and number ratio of holes (%)]
When measuring the number of holes, the longest diameter (L) of each hole is measured, and the number of holes, the number of holes having a longest diameter in the range of 300 to 1600 nm, and the number of holes having a longest diameter of less than 300 nm are measured. In addition, the number of holes exceeding the longest diameter of 1600 nm was determined. The measurement of the longest diameter of the holes is performed at 10 arbitrary regions in the same manner as in the case of the number of holes, and the number of holes corresponding to each longest diameter range is totaled to obtain the void corresponding to each longest diameter range. The ratio of the number of holes was calculated.

[アスペクト比の平均値]
本出願においてアスペクト比は、次のように求めた。
1)前記10箇所の写真投影図において、それぞれ最長径が300〜1600nmの範囲にある空孔を選び、その最長径に対応する長軸(A)求め、該長軸(A)と空孔の外縁部との2つの交点(交点x、交点y)を定め、x−y間の距離(S)を測定する。
2)長軸(A)において、x−y間の距離を2等分する中間点(z)を定める。
3)中間点(z)で長軸(A)に直交する直線(B)を求め、該直線(B)と空孔の外縁との2つの交点(交点u、交点w)を定め、u−w間の距離(T)を測定する。
4)(S)/(T)の値を求める。
5)最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある全ての空孔について、1)〜4)の方法を適用して(S)/(T)の値を求め、その平均値をアスペクト比とする。
[Average aspect ratio]
In the present application, the aspect ratio was determined as follows.
1) In the above-mentioned 10 photographic projection views, a hole having a longest diameter in the range of 300 to 1600 nm is selected, a long axis (A) corresponding to the longest diameter is obtained, and the long axis (A) and the hole Two intersection points (intersection point x, intersection point y) with the outer edge are determined, and a distance (S) between xy is measured.
2) In the long axis (A), an intermediate point (z) for dividing the distance between xy into two equal parts is determined.
3) A straight line (B) perpendicular to the major axis (A) is obtained at the intermediate point (z), two intersection points (intersection u, intersection w) between the straight line (B) and the outer edge of the hole are determined, and u− Measure the distance (T) between w.
4) Obtain the value of (S) / (T).
5) For all the pores having the longest diameter (L) in the range of 300 to 1600 nm, the method of 1) to 4) is applied to obtain the value of (S) / (T), and the average value is calculated as the aspect ratio. And

[近接した空孔との距離(R)]
前記10箇所の各写真投影図において、最長径が300〜1600nmの範囲にある空孔を選び、それぞれ最も接近した位置に存在する空孔との距離を測定し、その平均値を求めて、近接した空孔との距離(R)とした。
なお、空孔と空孔との距離は、両空孔の最短距離を意味する。また、他の空孔から最短距離に存在することが確認された空孔については、再度、距離(R)の測定は行わないものとした。
[Distance to adjacent holes (R)]
In each of the ten photo projections, select a hole having the longest diameter in the range of 300 to 1600 nm, measure the distance to the hole that is present at the closest position, find the average value, It was set as the distance (R) with the vacant hole.
Note that the distance between the holes means the shortest distance between the holes. In addition, regarding the holes confirmed to exist at the shortest distance from other holes, the distance (R) is not measured again.

[実施例1]
<工程(I)>
炭酸カルシウム(CaCO)174.97gと炭酸マンガン(MnCO・nHO)217.28gをイオン交換水2222.7gに加えて攪拌し、スラリーを調製した。このスラリーに対し、ビーズ径0.5mmのZrOビーズを430ml充填した循環方式湿式粉砕機(アシザワファインテック株式会社製、商品名:LABSTAR)にて、周速2480rpm、循環量1L/min、粉砕時間5時間の条件で粉砕した。粉砕後のスラリー中の固形分の平均粒子径は0.26μmであった。
<工程(II)>
循環方式湿式粉砕機から得られたスラリーを回収し、噴霧造粒乾燥装置(大河原化工機株式会社製、商品名:LB−8型)にて入り口温度230℃、出口温度110℃、アトマイザー回転数30000rpmの条件で乾燥し、粉体を得た。
<工程(III)>
工程(II)で得られた粉体を電気炉(光洋サーモシステム株式会社製、商品名:KBF521N1)を用いて、大気雰囲気下、800℃で5時間かけて仮焼成し、仮焼成粉体を調製した。
<工程(IV)>
工程(III)で得られた仮焼成粉体135gおよびバインダーとしてのポリビニルアルコール4.05gを、イオン交換水1125gに加え、工程(I)で用いた循環方式湿式粉砕機にて、周速2480rpm、循環量1L/minの条件で30分粉砕した。粉砕後のスラリー中の固形分の平均粒子径は1.061μmであった。
<工程(V)>
前記工程(IV)で得られたスラリーを循環方式型湿式粉砕機から回収し、スラリー中の固形物が沈降しないよう回転数200rpmに設定した攪拌機で攪拌しながらチューブポンプでスラリーを噴霧造粒乾燥機(大河原化工機株式会社製、商品名:LB−8型)に送り、入口温度230℃、出口温度110℃、アトマイザー回転数30000rpmにて噴霧乾燥を行い、平均粒子径が15〜20μmのCaMnOの球状粒子を得た。
<工程(VI)>
前記工程(V)で得られたCaMnOの球状粒子を、成形圧1.5トン/cmの条件で一軸加圧成形し、電気炉(光洋サーモシステム株式会社製、商品名:KBF521N1)を用いて、1050℃で5時間かけて焼成した。なお、400℃から1050℃までの昇温速度は43.3℃/Hrとし、焼成終了後は24.8℃/Hrの冷却速度で室温まで冷却して、CaMnO型熱電変換材料を得た。
[Example 1]
<Process (I)>
A slurry was prepared by adding 174.97 g of calcium carbonate (CaCO 3 ) and 217.28 g of manganese carbonate (MnCO 3 · nH 2 O) to 2222.7 g of ion-exchanged water, followed by stirring. This slurry was pulverized with a circulation type wet pulverizer (manufactured by Ashizawa Finetech Co., Ltd., trade name: LABSTAR) filled with 430 ml of ZrO 2 beads having a bead diameter of 0.5 mm, with a peripheral speed of 2480 rpm and a circulation rate of 1 L / min. It grind | pulverized on the conditions for 5 hours. The average particle size of the solid content in the slurry after pulverization was 0.26 μm.
<Process (II)>
The slurry obtained from the circulation type wet pulverizer is collected, and the inlet temperature is 230 ° C., the outlet temperature is 110 ° C., and the atomizer rotational speed is obtained with a spray granulation dryer (trade name: LB-8 type, manufactured by Okawara Kako Co., Ltd.). It dried on condition of 30000 rpm and obtained powder.
<Process (III)>
The powder obtained in the step (II) was calcined at 800 ° C. for 5 hours in an air atmosphere using an electric furnace (trade name: KBF521N1 manufactured by Koyo Thermo Systems Co., Ltd.). Prepared.
<Process (IV)>
135 g of the pre-fired powder obtained in step (III) and 4.05 g of polyvinyl alcohol as a binder are added to 1125 g of ion-exchanged water, and the peripheral speed is 2480 rpm in the circulation type wet pulverizer used in step (I). Grinding was performed for 30 minutes under conditions of a circulation rate of 1 L / min. The average particle size of the solid content in the pulverized slurry was 1.061 μm.
<Process (V)>
The slurry obtained in the step (IV) is recovered from the circulation type wet pulverizer, and the slurry is spray granulated and dried with a tube pump while stirring with a stirrer set at a rotation speed of 200 rpm so that solids in the slurry do not settle. Machine (trade name: LB-8 type, manufactured by Ogawara Koki Co., Ltd.), spray dried at an inlet temperature of 230 ° C., an outlet temperature of 110 ° C. and an atomizer speed of 30000 rpm, and CaMnO having an average particle size of 15 to 20 μm 3 spherical particles were obtained.
<Process (VI)>
The CaMnO 3 spherical particles obtained in the step (V) were uniaxially pressed under a molding pressure of 1.5 ton / cm 2 , and an electric furnace (trade name: KBF521N1 manufactured by Koyo Thermo Systems Co., Ltd.) was used. And fired at 1050 ° C. for 5 hours. The temperature increase rate from 400 ° C. to 1050 ° C. was 43.3 ° C./Hr, and after the completion of firing, the temperature was cooled to room temperature at a cooling rate of 24.8 ° C./Hr to obtain a CaMnO 3 type thermoelectric conversion material. .

得られたCaMnO型熱電変換材料について、結晶子径、相対密度、単位面積(100μm)当りの空孔個数、最長径300〜1600nmの空孔の個数割合、最長径300nm未満の空孔の個数割合、最長径1600nmを超える空孔の個数割合、最長径300〜1600nmの範囲にある空孔のアスペクト比の平均値、最長径300〜1600nmの範囲にある空孔と最も近接した空孔との平均距離、ゼーベック係数、電気伝導率および熱伝導率を測定した。その結果を表1に示す。
なお、空孔構造を電界放射型電子顕微鏡(測定倍率:5000倍)で測定したところ、不揃いで非球状であることが確認された。結果を図1に示す。
About the obtained CaMnO 3 type thermoelectric conversion material, the crystallite diameter, relative density, the number of holes per unit area (100 μm 2 ), the ratio of the number of holes having a longest diameter of 300 to 1600 nm, and the number of holes having a longest diameter of less than 300 nm Number ratio, number ratio of holes exceeding the longest diameter of 1600 nm, average value of aspect ratios of holes having a longest diameter of 300 to 1600 nm, and holes closest to a hole having a longest diameter of 300 to 1600 nm The average distance, Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermal conductivity were measured. The results are shown in Table 1.
When the pore structure was measured with a field emission electron microscope (measurement magnification: 5000 times), it was confirmed that the pore structure was uneven and non-spherical. The results are shown in FIG.

[実施例2]
実施例1における工程(I)の湿式粉砕時間を、4時間に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてCaMnO型熱電変換材料を得た。
得られたCaMnO型熱電変換材料について、結晶子径、相対密度、単位面積(100μm)当りの空孔個数、最長径300〜1600nmの空孔の個数割合、最長径300nm未満の空孔の個数割合、最長径1600nmを超える空孔の個数割合、最長径300〜1600nmの範囲にある空孔のアスペクト比の平均値、最長径300〜1600nmの範囲にある空孔と最も近接した空孔との平均距離、ゼーベック係数、電気伝導率および熱伝導率を測定した。その結果を表1に示す。
なお、空孔構造を電界放射型電子顕微鏡(測定倍率:5000倍)で測定したところ、不揃いで非球状であることが確認された。
[Example 2]
A CaMnO 3 type thermoelectric conversion material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the wet pulverization time in Step (I) in Example 1 was changed to 4 hours.
About the obtained CaMnO 3 type thermoelectric conversion material, the crystallite diameter, relative density, the number of holes per unit area (100 μm 2 ), the ratio of the number of holes having a longest diameter of 300 to 1600 nm, and the number of holes having a longest diameter of less than 300 nm Number ratio, number ratio of holes exceeding the longest diameter of 1600 nm, average value of aspect ratios of holes having a longest diameter of 300 to 1600 nm, and holes closest to a hole having a longest diameter of 300 to 1600 nm The average distance, Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermal conductivity were measured. The results are shown in Table 1.
When the pore structure was measured with a field emission electron microscope (measurement magnification: 5000 times), it was confirmed that the pore structure was uneven and non-spherical.

[実施例3]
実施例1における工程(I)の湿式粉砕時間を、7時間に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてCaMnO型熱電変換材料を得た。
得られたCaMnO型熱電変換材料について、結晶子径、相対密度、単位面積(100μm)当りの空孔個数、最長径300〜1600nmの空孔の個数割合、最長径300nm未満の空孔の個数割合、最長径1600nmを超える空孔の個数割合、最長径300〜1600nmの範囲にある空孔のアスペクト比の平均値、最長径300〜1600nmの範囲にある空孔と最も近接した空孔との平均距離、ゼーベック係数、電気伝導率および熱伝導率を測定した。その結果を表1に示す。
なお、空孔構造を電界放射型電子顕微鏡(測定倍率:5000倍)で測定したところ、不揃いで非球状であることが確認された。
[Example 3]
A CaMnO 3 type thermoelectric conversion material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the wet pulverization time in Step (I) in Example 1 was changed to 7 hours.
About the obtained CaMnO 3 type thermoelectric conversion material, the crystallite diameter, relative density, the number of holes per unit area (100 μm 2 ), the ratio of the number of holes having a longest diameter of 300 to 1600 nm, and the number of holes having a longest diameter of less than 300 nm Number ratio, number ratio of holes exceeding the longest diameter of 1600 nm, average value of aspect ratios of holes having a longest diameter of 300 to 1600 nm, and holes closest to a hole having a longest diameter of 300 to 1600 nm The average distance, Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermal conductivity were measured. The results are shown in Table 1.
When the pore structure was measured with a field emission electron microscope (measurement magnification: 5000 times), it was confirmed that the pore structure was uneven and non-spherical.

[比較例1]
実施例1における工程(I)の湿式粉砕時間を、5分に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてCaMnO型熱電変換材料を得た。
得られたCaMnO型熱電変換材料について、結晶子径、相対密度、単位面積(100μm)当りの空孔個数、最長径300〜1600nmの空孔の個数割合、最長径300nm未満の空孔の個数割合、最長径1600nmを超える空孔の個数割合、最長径300〜1600nmの範囲にある空孔のアスペクト比の平均値、最長径300〜1600nmの範囲にある空孔と最も近接した空孔との平均距離、ゼーベック係数、電気伝導率および熱伝導率を測定した。その結果を表1に示す。
なお、空孔構造を電界放射型電子顕微鏡(測定倍率:5000倍)で測定したところ、不揃いで非球状であることが確認された。結果を図2に示す。
[Comparative Example 1]
A CaMnO 3 type thermoelectric conversion material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the wet pulverization time in Step (I) in Example 1 was changed to 5 minutes.
About the obtained CaMnO 3 type thermoelectric conversion material, the crystallite diameter, relative density, the number of holes per unit area (100 μm 2 ), the ratio of the number of holes having a longest diameter of 300 to 1600 nm, and the number of holes having a longest diameter of less than 300 nm Number ratio, number ratio of holes exceeding the longest diameter of 1600 nm, average value of aspect ratios of holes having a longest diameter of 300 to 1600 nm, and holes closest to a hole having a longest diameter of 300 to 1600 nm The average distance, Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermal conductivity were measured. The results are shown in Table 1.
When the pore structure was measured with a field emission electron microscope (measurement magnification: 5000 times), it was confirmed that the pore structure was uneven and non-spherical. The results are shown in FIG.

[比較例2]
実施例1における工程(I)の湿式粉砕時間を、12時間に変更したこと以外は、実施例1と同様にしてCaMnO型熱電変換材料を得た。
得られたCaMnO型熱電変換材料について、結晶子径、相対密度、単位面積(100μm)当りの空孔個数、最長径300〜1600nmの空孔の個数割合、最長径300nm未満の空孔の個数割合、最長径1600nmを超える空孔の個数割合、最長径300〜1600nmの範囲にある空孔のアスペクト比の平均値、最長径300〜1600nmの範囲にある空孔と最も近接した空孔との平均距離、ゼーベック係数、電気伝導率および熱伝導率を測定した。その結果を表1に示す。
なお、空孔構造を電界放射型電子顕微鏡(測定倍率:5000倍)で測定したところ、不揃いで非球状であることが確認された。結果を図3に示す。
[Comparative Example 2]
A CaMnO 3 type thermoelectric conversion material was obtained in the same manner as in Example 1 except that the wet pulverization time in step (I) in Example 1 was changed to 12 hours.
About the obtained CaMnO 3 type thermoelectric conversion material, the crystallite diameter, relative density, the number of holes per unit area (100 μm 2 ), the ratio of the number of holes having a longest diameter of 300 to 1600 nm, and the number of holes having a longest diameter of less than 300 nm Number ratio, number ratio of holes exceeding the longest diameter of 1600 nm, average value of aspect ratios of holes having a longest diameter of 300 to 1600 nm, and holes closest to a hole having a longest diameter of 300 to 1600 nm The average distance, Seebeck coefficient, electrical conductivity and thermal conductivity were measured. The results are shown in Table 1.
When the pore structure was measured with a field emission electron microscope (measurement magnification: 5000 times), it was confirmed that the pore structure was uneven and non-spherical. The results are shown in FIG.

表1の結果より、実施例1〜3のCaMnO型熱電変換材料は、比較例1、2に比べて電気伝導率、ゼーベック係数、熱伝導率が改善され、結果として高い無次元性能指数(ZT)が得られることがわかった。 From the results of Table 1, the CaMnO 3 type thermoelectric conversion materials of Examples 1 to 3 have improved electrical conductivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity compared to Comparative Examples 1 and 2, resulting in a high dimensionless figure of merit ( ZT) was found to be obtained.

本発明のCaMnO型熱電変換材料は、高価で希少な元素を結晶格子内に置換させること無く電気伝導率、ゼーベック係数、熱伝導率が改善できるので、熱電変換材料として有効に利用できる。 The CaMnO 3 type thermoelectric conversion material of the present invention can be effectively used as a thermoelectric conversion material because the electrical conductivity, Seebeck coefficient, and thermal conductivity can be improved without replacing expensive and rare elements in the crystal lattice.

Claims (4)

内部に空孔構造を有し、次の1)、2)及び3)の条件を満たすことを特徴とするCaMnO型熱電変換材料。
1)結晶子径が300〜550Åの範囲である。
2)相対密度が60〜80%の範囲である。
3)該CaMnO型熱電変換材料の断面写真において、単位面積(100μm)当り存在する空孔の個数が40〜60個であり、そのうち最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある空孔が80〜100%、最長径(L)が300nm未満の空孔が8%未満、最長径(L)が1600nmを超える空孔が12%未満である。
A CaMnO 3 type thermoelectric conversion material having a pore structure inside and satisfying the following conditions 1), 2) and 3):
1) The crystallite diameter is in the range of 300 to 550 mm.
2) The relative density is in the range of 60 to 80%.
3) In the cross-sectional photograph of the CaMnO 3 type thermoelectric conversion material, the number of pores existing per unit area (100 μm 2 ) is 40-60, and the longest diameter (L) is in the range of 300-1600 nm. The pores are 80 to 100%, the longest diameter (L) is less than 300 nm, less than 8%, and the longest diameter (L) is more than 1600 nm.
前記最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある空孔のアスペクト比の平均値が2.0〜4.0の範囲にあることを特徴とする請求項1に記載のCaMnO型熱電変換材料。 2. The CaMnO 3 type thermoelectric conversion according to claim 1, wherein an average value of aspect ratios of pores having the longest diameter (L) in a range of 300 to 1600 nm is in a range of 2.0 to 4.0. material. 前記最長径(L)が300〜1600nmの範囲にある空孔と最も近接した空孔との距離の平均値が300〜500nmの範囲にあることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載のCaMnO型熱電変換材料。 The average value of the distance between the hole having the longest diameter (L) in the range of 300 to 1600 nm and the closest hole is in the range of 300 to 500 nm. CaMnO 3 type thermoelectric conversion material. 下記(I)〜(VI)の工程を含むことを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のCaMnO型熱電変換材料の製造方法。
(I)カルシウム化合物とマンガン化合物とを湿式粉砕して平均粒子径0.3μm以下のスラリーを調製する工程
(II)前記工程(I)で得られたスラリーを乾燥し、粉体を調製する工程
(III)前記工程(II)で得られた粉体を500〜1000℃で仮焼成し、仮焼成粉体を調製する工程
(IV)前記工程(III)で得られた仮焼成粉体を湿式粉砕して平均粒子径0.1〜3.0μmのスラリーを調製する工程
(V)前記工程(IV)で得られたスラリーを乾燥し、平均粒子径5〜30μmのCaMnO粒子を得る工程
(VI)前記工程(V)で得られたCaMnO粒子を成形し、950〜1200℃で焼成してCaMnO焼結体を得る工程
The method for producing a CaMnO 3 type thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 3, comprising the following steps (I) to (VI).
(I) A step of preparing a slurry having an average particle size of 0.3 μm or less by wet-grinding a calcium compound and a manganese compound (II) A step of drying the slurry obtained in the step (I) to prepare a powder (III) Step of pre-baking the powder obtained in the step (II) at 500 to 1000 ° C. to prepare the pre-fired powder (IV) Wet the pre-fired powder obtained in the step (III) A step of pulverizing to prepare a slurry having an average particle size of 0.1 to 3.0 μm (V) A step of drying the slurry obtained in the step (IV) to obtain CaMnO 3 particles having an average particle size of 5 to 30 μm ( VI) A step of forming the CaMnO 3 particles obtained in the step (V) and firing at 950 to 1200 ° C. to obtain a CaMnO 3 sintered body.
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