JP2012256901A - 熱電変換材料とそれを用いた熱電変換モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】{(Ti1-p-qZrpHfq)1-bMb}x(Ni1-cBc)y(X1-dDd)100-x-y(0.30≦p≦0.45、0.25≦q≦0.35、30≦x≦35原子%、30≦y≦35原子%)で表される組成を有し、MgAgAs型結晶相を主相とする母合金を1000〜1350℃の範囲の温度で熱処理し、熱処理を施した母合金を粉砕して合金粉末を作製し、この合金粉末を焼結することにより作製された熱電変換材料であって、Tiと元素Xの総量が80原子%以上のTi−X相の存在比率が0.01〜9.1%の範囲であり、Ti−X相の結晶粒径が10μm以下である。
【選択図】図1
Description
一般式:{(Ti1-p-qZrpHfq)1-bMb}x(Ni1-cBc)y(X1-dDd)100-x-y
(式中、MはV、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Yおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を、BはMn、Fe、CoおよびCuから選ばれる少なくとも1種の元素を、XはSnおよびSbから選ばれる少なくとも1種の元素を、DはMg、Si、Ga、Ge、In、As、Tl、PbおよびBiから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、p、q、b、c、d、xおよびyは0.30≦p≦0.45、0.25≦q≦0.35、0≦b≦0.5、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5、30≦x≦35原子%、30≦y≦35原子%を満足する数である)
で表される組成を有し、MgAgAs型結晶相を主相とする母合金を1000〜1350℃の範囲の温度で熱処理し、前記熱処理を施した母合金を粉砕して合金粉末を作製し、前記合金粉末を焼結することにより作製された熱電変換材料であって、Tiと元素Xの総量が80原子%以上のTi−X相の存在比率が0.01〜9.1%の範囲であり、前記Ti−X相の結晶粒径が10μm以下であることを特徴としている。
ことを特徴としている。
一般式:{(Ti1-p-qZrpHfq)1-bMb}x(Ni1-cBc)y(X1-dDd)100-x-y
(式中、MはV、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Yおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を、BはMn、Fe、CoおよびCuから選ばれる少なくとも1種の元素を、XはSnおよびSbから選ばれる少なくとも1種の元素を、DはMg、Si、Ga、Ge、In、As、Tl、PbおよびBiから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、p、q、b、c、d、xおよびyは0.30≦p≦0.45、0.25≦q≦0.35、0≦b≦0.5、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5、30≦x≦35原子%、30≦y≦35原子%を満足する数である)
で表される組成を有し、MgAgAs型結晶相を主相とする母合金を溶湯急冷し、前記溶湯急冷した母合金を粉砕して合金粉末を作製し、前記合金粉末を焼結することにより作製された熱電変換材料であって、Tiと元素Xの総量が80原子%以上のTi−X相の存在比率が0.01〜9.1%の範囲であり、前記Ti−X相の結晶粒径が10μm以下であることを特徴としている。
Z=α2/(ρ・κ) …(1)
(式中、αは熱電変換材料のゼーベック係数、ρは熱電変換材料の電気抵抗率、κは熱電変換材料の熱伝導率である)
で表される。(1)式で表される性能指数Zは温度の逆数の次元を有し、この性能指数Zに絶対温度Tを乗ずると無次元の値となる。この値ZTは無次元性能指数と呼ばれ、熱電変換材料の熱電変換効率に相関関係を有しており、このZT値が大きい材料ほど熱電変換効率は大きくなる。上記した(1)式から分かるように、高いZT値を持つ熱電変換材料を実現するためには、より高いゼーベック係数α、より低い電気抵抗率ρ、より低い熱伝導率κを有する熱電変換材料が求められる。
一般式:(Ti1-aAa)xNiyX100-x-y …(2)
(式中、AはZrおよびHfから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、a、xおよびyは0≦a≦0.9、30≦x≦35原子%、30≦y≦35原子%を満足する数である)
で実質的に表される組成を有することが好ましい。Tiと同属元素でありながら原子量および原子半径が異なるZrやHfでTiの一部を置換することによって、熱電変換材料の熱伝導率を低減することができる。熱伝導率の低減はZT値の向上に寄与する。
一般式:{(Ti1-aAa)1-bMb}x(Ni1-cBc)y(X1-dDd)100-x-y …(3)
(式中、AはZrおよびHfから選ばれる少なくとも1種の元素を、MはV、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Yおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を、BはMn、Fe、CoおよびCuから選ばれる少なくとも1種の元素を、XはSnおよびSbから選ばれる少なくとも1種の元素を、DはMg、Si、Ga、Ge、In、As、Tl、PbおよびBiから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、a、b、c、d、xおよびyは0≦a≦0.9、0≦b≦0.5、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5、30≦x≦35原子%、30≦y≦35原子%を満足する数である)
で実質的に表される組成を有するハーフホイスラー材料を適用することが好ましい。
まず、各原料をそれぞれ表1に示す組成となるように所定量秤量し、これらをアーク溶解して母合金を作製した。これら各母合金に真空中にて1200℃×2時間の条件で熱処理を施した。次いで、熱処理を施した各母合金を、乳鉢を用いて粒径45μm以下に粉砕した後、各合金粉末を900℃×1時間の条件でホットプレスすることによって、それぞれ外径15mm、厚さ3mmの成型体(熱電変換材料)を作製した。なお、表1中の比較例1、2は熱処理条件を、比較例1は900℃、比較例2は980℃に変更する以外は実施例と同様にして作製したものである。
実施例1と同一組成の母合金をアーク溶解法で製造した後、単ロール装置を用いて溶湯急冷することにより急冷薄帯を作製した。溶湯急冷はCu製ロールを用い、ロール周速15m/sの条件で実施した。次に、急冷薄帯を乳鉢を用いて粒径45μm以下に粉砕した後、1000℃×15分間の条件で放電プラズマ焼結することによって、外径15mm、厚さ3mmの成型体(熱電変換材料)を作製した。この成型体(熱電変換材料)におけるTi−X相の存在比率を実施例1〜6と同様にして算出したところ、Ti−X相の存在比率は4.5%であった。また、実施例1〜6と同様にして無次元性能指数ZTを求めた結果、T=700Kで1.48であった。
Claims (4)
- 一般式:{(Ti1-p-qZrpHfq)1-bMb}x(Ni1-cBc)y(X1-dDd)100-x-y
(式中、MはV、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Yおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を、BはMn、Fe、CoおよびCuから選ばれる少なくとも1種の元素を、XはSnおよびSbから選ばれる少なくとも1種の元素を、DはMg、Si、Ga、Ge、In、As、Tl、PbおよびBiから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、p、q、b、c、d、xおよびyは0.30≦p≦0.45、0.25≦q≦0.35、0≦b≦0.5、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5、30≦x≦35原子%、30≦y≦35原子%を満足する数である)
で表される組成を有し、MgAgAs型結晶相を主相とする母合金を1000〜1350℃の範囲の温度で熱処理し、前記熱処理を施した前記母合金を粉砕して合金粉末を作製し、前記合金粉末を焼結することにより作製された熱電変換材料であって、
Tiと元素Xの総量が80原子%以上のTi−X相の存在比率が0.01〜9.1%の範囲であり、前記Ti−X相の結晶粒径が10μm以下であることを特徴とする熱電変換材料。 - 一般式:{(Ti1-p-qZrpHfq)1-bMb}x(Ni1-cBc)y(X1-dDd)100-x-y
(式中、MはV、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Yおよび希土類元素から選ばれる少なくとも1種の元素を、BはMn、Fe、CoおよびCuから選ばれる少なくとも1種の元素を、XはSnおよびSbから選ばれる少なくとも1種の元素を、DはMg、Si、Ga、Ge、In、As、Tl、PbおよびBiから選ばれる少なくとも1種の元素を示し、p、q、b、c、d、xおよびyは0.30≦p≦0.45、0.25≦q≦0.35、0≦b≦0.5、0≦c≦0.5、0≦d≦0.5、30≦x≦35原子%、30≦y≦35原子%を満足する数である)
で表される組成を有し、MgAgAs型結晶相を主相とする母合金を溶湯急冷し、前記溶湯急冷した母合金を粉砕して合金粉末を作製し、前記合金粉末を焼結することにより作製された熱電変換材料であって、
Tiと元素Xの総量が80原子%以上のTi−X相の存在比率が0.01〜9.1%の範囲であり、前記Ti−X相の結晶粒径が10μm以下であることを特徴とする熱電変換材料。 - 請求項1または請求項2記載の熱電変換材料において、
前記Ti−X相は、X5Ti6相、X3Ti5相、XTi2相、およびXTi3相から選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする熱電変換材料。 - 第1の電極と、一端が前記第1の電極に接続されたp型熱電変換材料と、前記p型熱電変換材料の他端に接続された第2の電極と、一端が前記第2の電極に接続されたn型熱電変換材料と、前記n型熱電変換材料の他端に接続された第3の電極とを具備し、
前記p型熱電変換材料および前記n型熱電変換材料の少なくとも一方は、請求項1ないし請求項3のいずれか1項記載の熱電変換材料からなることを特徴とする熱電変換モジュール。
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DE102016211877A1 (de) * | 2016-06-30 | 2018-01-04 | Vacuumschmelze Gmbh & Co. Kg | Thermoelektrischer Gegenstand und Verbundmaterial für eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung sowie Verfahren zum Herstellen eines thermoelektrischen Gegenstands |
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