JP2017157786A - 熱電変換材料及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[1]式(1):
BixSbyTez (1)
[式中、x、y及びzは、(x+y)/(x+y+z)が0.402以上0.430以下であることを満たす正の数である]
で表される組成を有し、平均結晶粒径が0.05〜1.0μmである熱電変換材料。
[2]式(1)において、y/(x+y)が0.10以上0.85以下である、[1]に記載の熱電変換材料。
[3]次の工程:
(a)式(1):
BixSbyTez (1)
[式中、x、y及びzは、(x+y)/(x+y+z)が0.402以上0.430以下であることを満たす正の数である]
で表される組成を有する、Bi、Sb及びTeを含む複合粒子を、100℃以下の温度にて調製する工程;及び
(b)工程(a)で得られた複合粒子を熱処理により合金化する工程
を含む熱電変換材料の製造方法。
[4]工程(b)で得られた合金化した複合粒子を300℃〜450℃で焼結する工程(c)をさらに含む、[3]に記載の方法。
BixSbyTez (1)
[式中、x、y及びzは、(x+y)/(x+y+z)が0.402以上0.430以下であることを満たす正の数である]で表される組成を有し、平均結晶粒径が0.05〜1.0μmであることを特徴とする。本発明の熱電変換材料は、(Bi、Sb)2Te3系の母材において、モル比(Sb+Bi)/(Bi+Sb+Te)が上記特定範囲となるようにBiTeのBiサイトの一部がSbにより置換されているために、焼結工程等高温処理による結晶粒の粗大化が抑制されるため、熱伝導率が十分に低減されており、よって優れた熱電性能を有する。ここで、(Bi、Sb)2Te3系の母材は、室温付近の低温域で熱起電力が高く、高い変換効率を示すという点で利点を有する。理論に拘泥されないが、(Bi+Sb)比が定比(=0.4)より多い組成(低融点Te−プア組成)においては、熱処理プロセス(焼結工程等)の初期における低温共晶反応(SbTe+Te)による液相の生成が抑えられること、及び、散速度が遅い高融点Sbが拡散後期まで粒子間に残存しやすいことから、結晶粒の粗大化が抑制されると考えらえる。
(a)BixSbyTez (1)
[式中、x、y及びzは、(x+y)/(x+y+z)が0.402以上0.430以下であることを満たす正の数である]で表される組成を有する、Bi、Sb及びTeを含む複合粒子を、100℃以下の温度にて調製する工程;及び(b)工程(a)で得られた複合粒子を熱処理により合金化する工程を含むことを特徴とする。本発明の製造方法によれば、上記組成式(1)においてx、y及びzが上記範囲を満たすような複合ナノ粒子を低温にて調製するため、後に焼結工程等の高温処理をしても結晶粒の粗大化を抑制することができる。
[I:熱電変換材料の製造]
[実施例1]
(1)Bi1.79Sb0.43Te3の組成となるように熱電変換材料を構成する元素の塩(塩化ビスマス、塩化テルル、塩化アンチモン)をエタノール中に溶解した溶液Aと、還元剤(NaBH4)を含むエタノール溶液BとをY字リアクターを用いて混合した。リアクターで混合された溶液をエタノール中で回収することで原料ナノ複合粒子を作製した。リアクター部と回収部は50℃に制御した。
(2)合成したBi,Te,Sbナノ粒子を含むエタノール溶液に対し、240℃で10時間熱処理を実施した。スラリーのろ過により試料粉末を回収した。
(3)試料粉末をAr雰囲気中、200℃で10時間仮焼を行った。
(4)上記合金粉末の焼結(350℃、75MPa、15分間)によりバルク化して焼結体を得た。
工程(1)において配合する各原料の配合量を下の表1に記載される量とした以外は、実施例1と同様にして焼結体を得た。
上記手順によって得られた実施例1〜4及び比較例1〜3の焼結体について、格子熱伝導率κphの測定、無次元性能指数ZTを算出、及び平均結晶粒径の測定をした。
定常法熱伝導率評価法及びフラッシュ法(非定常法)(ネッチ社製フラッシュ法熱伝導率測定装置)による。
無次元性能指数ZTを以下:
Z=(ゼーベック係数α)2×(電気伝導率σ)/(熱電変換材料の熱伝導率κ)
の式に基づき算出した。
平均結晶粒径を以下のステップにより測定・算出した:
(1)試料の断面をSEM観察し画像解析処理により結晶粒径を測定した。
(2)個々の結晶粒径は、最大幅とそれに直交する方向の横幅(最大幅)を測定し、その平均値を結晶粒径として評価した。
(3)100個以上の結晶の粒径をサンプル測定し、平均値を算出した。
実施例1〜4及び比較例1〜3の焼結体についての分析結果を表1に示す。
Claims (4)
- 式(1):
BixSbyTez (1)
[式中、x、y及びzは、(x+y)/(x+y+z)が0.402以上0.430以下であることを満たす正の数である]
で表される組成を有し、平均結晶粒径が0.05〜1.0μmである熱電変換材料。 - 式(1)において、y/(x+y)が0.10以上0.85以下である、請求項1に記載の熱電変換材料。
- 次の工程:
(a)式(1):
BixSbyTez (1)
[式中、x、y及びzは、(x+y)/(x+y+z)が0.402以上0.430以下であることを満たす正の数である]
で表される組成を有する、Bi、Sb及びTeを含む複合粒子を、100℃以下の温度にて調製する工程;及び
(b)工程(a)で得られた複合粒子を熱処理により合金化する工程
を含む熱電変換材料の製造方法。 - 工程(b)で得られた合金化した複合粒子を300℃〜450℃で焼結する工程(c)をさらに含む、請求項3に記載の方法。
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