JP2018184336A - Composite ceramics and its production method - Google Patents

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Akira Kawasaki
亮 川崎
野村 直之
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a material which can exhibit excellent thermoelectric conversion characteristics especially when used as a material for a thermoelectric element.SOLUTION: This invention relates to composite ceramics, comprising: an oxide which has a Perovskite type crystal structure expressed by the following general formula (1): ABO; and a carbon material, wherein in the formula (1), A and B each express an element which can form a Perovskite type crystal structure, provided that at least one thereof is a metallic element; and δ expresses the amount of oxygen deficiencies, provided that it is the number of 0 or more but 1 or less.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、複合体セラミックス及びその製造方法に関する。より詳しくは、熱電変換素子の材料として好適に用いることができる複合体セラミックス及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a composite ceramic and a manufacturing method thereof. More specifically, the present invention relates to a composite ceramic that can be suitably used as a material for a thermoelectric conversion element and a method for producing the same.

複合体セラミックスは、セラミックスを繊維、粒子等と組み合わせて複合化し、強度等の特性を向上したものであり、半導体、電池、自動車、情報通信、産業機器、医療等の分野で種々用いられている。 Composite ceramics are composites of ceramics combined with fibers, particles, etc. to improve properties such as strength, and are used in various fields such as semiconductors, batteries, automobiles, information communication, industrial equipment, and medical care. .

ところで、近年、エコロジー運動や省エネルギー気運の高まりから、熱電変換素子を用いた地熱・温泉熱発電、太陽熱発電、工場や自動車等の廃熱発電等、エナジーハーベスト(環境発電)へのニーズが高まっており、熱を電気に変換する能力を有する熱電変換素子への注目が高くなってきている。 By the way, in recent years, the needs for energy harvesting (energy harvesting), such as geothermal / hot spring thermal power generation using thermoelectric conversion elements, solar thermal power generation, waste heat power generation in factories and automobiles, etc., have increased due to the increase in ecology movement and energy saving. Therefore, attention has been paid to thermoelectric conversion elements having the ability to convert heat into electricity.

従来の熱電変換素子の材料(熱電材料)として、例えば、Te系やSe系のスクッテルダイトや金属間化合物などの材料が開発されてきたが、これらの材料の大部分は、毒性、希少性、不安定性の問題を有する(例えば、非特許文献1参照)。この状況を鑑みて、酸化物は一般にキャリア移動度が低く熱伝導率が高いという事実があるにも関わらず、熱電材料としての酸化物使用の可能性が検討されている。代表的なp型材料としてはNaCoとCaCoがあり、層状構造であるために特に高温領域で非常に有望とされている(例えば、非特許文献2、3参照)。 As materials for conventional thermoelectric conversion elements (thermoelectric materials), for example, materials such as Te-based and Se-based skutterudites and intermetallic compounds have been developed, but most of these materials are toxic and rare. Have the problem of instability (see Non-Patent Document 1, for example). In view of this situation, despite the fact that oxides generally have low carrier mobility and high thermal conductivity, the possibility of using oxides as thermoelectric materials has been studied. As typical p-type materials, there are NaCo 2 O 4 and Ca 3 Co 4 O 9, which are very promising particularly in a high temperature region because of the layered structure (see, for example, Non-Patent Documents 2 and 3). .

また例えば、酸素欠乏を持つSrTiO(STO)のバルクセラミックスが報告されている(例えば、非特許文献4〜7参照)。しかし、通常は焼結後に高温で還元ガス(例えば、H/Arガス)中でアニールすることによって調製され、これは表面から内部への拡散が起こるプロセスであるために、一般的には試料中の酸素空孔の勾配分布が生じることを避けることはできない。 In addition, for example, SrTiO 3 (STO) bulk ceramics having oxygen deficiency have been reported (for example, see Non-Patent Documents 4 to 7). However, it is usually prepared by annealing in a reducing gas (eg, H 2 / Ar gas) at a high temperature after sintering, which is generally a sample because it is a process in which diffusion from the surface to the inside occurs. It is unavoidable that a gradient distribution of oxygen vacancies occurs.

K. Koumoto, R. Funahashi, E. Guilmeau, Y. Miyazaki, A. Weidenkaff, Y.F. Wang, et al., Thermoelectric ceramics for energy harvesting, J. Am. Ceram. Soc. 96 (1) (2013) 1-23K. Koumoto, R. Funahashi, E. Guilmeau, Y. Miyazaki, A. Weidenkaff, YF Wang, et al., Thermoelectric ceramics for energy harvesting, J. Am. Ceram. Soc. 96 (1) (2013) 1- twenty three I. Terasaki, Y. Sasago, K. Uchinokura, Large thermoelectric power in NaCo2O4 single crystals, Phys. Rev. B 56 (20) (1997) 12685-12687I. Terasaki, Y. Sasago, K. Uchinokura, Large thermoelectric power in NaCo2O4 single crystals, Phys. Rev. B 56 (20) (1997) 12685-12687 A.C. Masset, C. Michel, A. Maignan, M. Hervieu, O. Toulemonde, F. Studer, et al., Misfit-layered cobaltite with an anisotropic giant magnetoresistance: Ca3Co4O9, Phys. Rev. B 62 (1) (2000) 166-175AC Masset, C. Michel, A. Maignan, M. Hervieu, O. Toulemonde, F. Studer, et al., Misfit-layered cobaltite with an anisotropic giant magnetoresistance: Ca3Co4O9, Phys. Rev. B 62 (1) (2000 ) 166-175 J. Liu, C.L. Wang, W.B. Su, H.C. Wang, P. Zheng, J.C. Li, et al., Enhancement of thermoelectric efficiency in oxygen-deficient Sr1-xLaxTiO3-δ ceramics, Appl. Phys. Lett. 95 (16) (2009) 3J. Liu, CL Wang, WB Su, HC Wang, P. Zheng, JC Li, et al., Enhancement of thermoelectric efficiency in oxygen-deficient Sr1-xLaxTiO3-δ ceramics, Appl. Phys. Lett. 95 (16) ( 2009) 3 A.V. Kovalevsky, A.A. Yaremchenko, S. Populoh, A. Weidenkaff, J.R. Frade, Effect of a-site cation deficiency on the thermoelectric performance of donor-substituted strontium titanate, J. Phys. Chem. C 118 (9) (2014) 4596-4606AV Kovalevsky, AA Yaremchenko, S. Populoh, A. Weidenkaff, JR Frade, Effect of a-site cation deficiency on the thermoelectric performance of donor-substituted strontium titanate, J. Phys. Chem. C 118 (9) (2014) 4596 -4606 L. Sagarna, S. Populoh, A. Shkabko, J. Eilertsen, A.E. Maegli, R. Hauert, et al., Influence of the oxygen content on the electronic transport properties of SrxEu1-xTiO3-d, J. Phys. Chem. C 118 (15) (2014) 7821-7831L. Sagarna, S. Populoh, A. Shkabko, J. Eilertsen, AE Maegli, R. Hauert, et al., Influence of the oxygen content on the electronic transport properties of SrxEu1-xTiO3-d, J. Phys. Chem. C 118 (15) (2014) 7821-7831 A.A. Yaremchenko, S. Populoh, S.G. Patricio, J. Macias, P. Thiel, D.P. Fagg, et al., Boosting thermoelectric performance by controlled defect chemistry engineering in Ta-Substituted strontium titanate, Chem. Mat. 27 (14) (2015) 4995-5006AA Yaremchenko, S. Populoh, SG Patricio, J. Macias, P. Thiel, DP Fagg, et al., Boosting thermoelectric performance by controlled defect chemistry engineering in Ta-Substituted strontium titanate, Chem. Mat. 27 (14) (2015 ) 4995-5006

複合体セラミックスとして、特に熱電変換素子の材料として用いた場合に大きな電力を得るために熱電変換特性を優れたものとすることが望まれていた。 In order to obtain large electric power as a composite ceramic, particularly when used as a material for a thermoelectric conversion element, it has been desired to have excellent thermoelectric conversion characteristics.

本発明は、上記現状に鑑みてなされたものであり、特に熱電変換素子の材料として用いた場合に優れた熱電変換特性を発揮できる材料を提供することを目的とする。 This invention is made | formed in view of the said present condition, and it aims at providing the material which can exhibit the thermoelectric conversion characteristic which was excellent when used as a material of a thermoelectric conversion element especially.

本発明者は、特に熱電変換素子の材料として用いた場合に優れた熱電変換特性を発揮できる材料について種々検討し、高温安定性を有するペロブスカイト型結晶構造に着目し、ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物に炭素材料を複合化した複合体セラミックスを形成した。本発明者らは、この複合体セラミックスが、炭素材料の導入により充分に優れた強度を発揮できる可能性があり、種々の用途への適用可能性があるとともに、特に熱電変換素子の材料として用いた場合にキャリア密度、電気伝導率、パワーファクターが充分に大きなものとなるとともに熱伝導率を充分に低くすることができ、優れた熱電変換特性を発揮できることを見出し、上記課題を見事に解決することができることに想到した。更に、本発明者らは、この複合体セラミックスが、硬度及び耐摩耗性に優れ、種々の用途に適用できる材料であることも見出し、本発明に到達したものである。 The present inventor has studied various materials that can exhibit excellent thermoelectric conversion characteristics, particularly when used as a material of a thermoelectric conversion element, paying attention to a perovskite crystal structure having high temperature stability, and an oxidation having a perovskite crystal structure. Composite ceramics in which a carbon material was combined with the object was formed. The present inventors have the possibility that this composite ceramic material can exhibit a sufficiently excellent strength by introducing a carbon material, which can be applied to various applications, and is particularly used as a material for a thermoelectric conversion element. Found that the carrier density, electrical conductivity, and power factor are sufficiently large and that the thermal conductivity is sufficiently low, and that excellent thermoelectric conversion characteristics can be exhibited. I came up with the idea that I could do it. Furthermore, the present inventors have found that this composite ceramic is excellent in hardness and wear resistance and can be applied to various applications, and have reached the present invention.

すなわち本発明は、下記一般式(1):
ABO3±δ (1)
(式(1)中、A及びBは、ペロブスカイト型結晶構造を形成できる元素を表し、少なくとも一方は金属元素であり、δは、酸素欠損量を表し、0以上、1以下の数である。)で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物と、炭素材料との複合体セラミックスである。
That is, the present invention provides the following general formula (1):
ABO 3 ± δ (1)
(In the formula (1), A and B represent an element capable of forming a perovskite crystal structure, at least one is a metal element, and δ represents an oxygen deficiency and is a number of 0 or more and 1 or less. ) And a composite ceramic material of an oxide having a perovskite crystal structure and a carbon material.

本発明の複合体セラミックスは、炭素材料が複合化されたことにより強度及び耐摩耗性に優れ、また、熱電変換素子の材料として用いた場合に優れた熱電変換特性を発揮することができる。 The composite ceramic of the present invention is excellent in strength and wear resistance due to the composite of the carbon material, and can exhibit excellent thermoelectric conversion characteristics when used as a material of a thermoelectric conversion element.

純粋なSTO、酸素欠損のある純粋なSTO(STO−H)、及び、還元型酸化グラフェン(RGO)/STO複合体のXRDパターンを示すグラフである。It is a graph which shows the XRD pattern of pure STO, pure STO with oxygen deficiency (STO-H), and reduced graphene oxide (RGO) / STO complex. (a)純粋なSTO、(b)純粋なSTO−H、及び、(c)RGO/STO複合体の電子線後方散乱回折法(EBSD)分析、並びに、(d)純粋なSTO、純粋なSTO−H、及び、RGO/STO複合体中の酸化物の粒径分布を示す図である。(A) pure STO, (b) pure STO-H, and (c) electron backscatter diffraction (EBSD) analysis of RGO / STO complex, and (d) pure STO, pure STO It is a figure which shows the particle size distribution of the oxide in -H and a RGO / STO composite. (a)RGO/STO複合体の低倍率でのTEM画像、(b)RGO/STO複合体の高倍率でのTEM画像、(c)(b)において実線で囲まれた領域のRGO/STO複合体のHRTEM画像(粒界上のRGOを示す)、並びに、(d)(b)において破線で囲まれた領域のRGO/STO複合体のHRTEM画像(粒子内部のRGOを示す)を示す写真である。(A) TEM image of RGO / STO composite at low magnification, (b) TEM image of RGO / STO composite at high magnification, (c) RGO / STO composite of region surrounded by solid line in (b) HRTEM image of the body (showing RGO on the grain boundary) and HRTEM image of RGO / STO complex (showing RGO inside the particle) in the region surrounded by the broken line in (d) and (b) is there. 純粋なSTO、純粋なSTO−H、及び、RGO/STO複合体の(a)電気伝導率、(b)ゼーベック係数(Seebeck係数)、及び、(c)パワーファクターを示すグラフである。It is a graph which shows (a) electrical conductivity, (b) Seebeck coefficient (Seebeck coefficient), and (c) power factor of pure STO, pure STO-H, and RGO / STO composite. 電子エネルギー損失分光(EELS)スペクトルのグラフであり、(a)純粋なSTOのTi−Lエッジ、(b)純粋なSTOのO−Kエッジ、(c)RGO/STO複合体のTi−Lエッジ、及び、(d)RGO/STO複合体のO−Kエッジを示す。FIG. 2 is a graph of electron energy loss spectroscopy (EELS) spectrum, (a) pure STO Ti-L edge, (b) pure STO OK edge, (c) RGO / STO composite Ti-L edge. And (d) shows the OK edge of the RGO / STO complex. 純粋なSTO、純粋なSTO−H、及び、RGO/STO複合体の(a)全熱伝導率、(b)格子熱伝導率、及び、(c)ZT値を示すグラフである。It is a graph which shows (a) total thermal conductivity, (b) lattice thermal conductivity, and (c) ZT value of pure STO, pure STO-H, and RGO / STO composite. 水分散液中のpHに対する、改質STO及び酸化グラフェン(GO)のゼータ電位を示すグラフである。It is a graph which shows the zeta potential of modified STO and graphene oxide (GO) with respect to pH in an aqueous dispersion. (a)低倍率、(b)高倍率での元のSTO粉末のTEM画像である。(A) TEM image of the original STO powder at low magnification and (b) high magnification. 低倍率でのGO/改質STO混合(ハイブリッド)粉末のTEM画像であり、(a)黒矢印はGOの形態を示し、(b)黒矢印は改質STO粒子の表面を覆うGOを示す。It is a TEM image of GO / modified STO mixed (hybrid) powder at low magnification, (a) black arrow indicates the form of GO, and (b) black arrow indicates GO covering the surface of the modified STO particles. GO/STO混合粉末及びRGO/STO複合体それぞれのラマンスペクトルを示すグラフである。It is a graph which shows the Raman spectrum of each GO / STO mixed powder and RGO / STO composite. (a)純粋なSTO、(b)RGO/STO複合体のSEM画像である。(A) Pure STO, (b) SEM image of RGO / STO composite. 純粋なSTOの電気伝導率を示すグラフである。It is a graph which shows the electrical conductivity of pure STO. RGO/Al複合体(炭素含有量0.6体積%)の電気伝導率を示すグラフである。RGO / Al 2 O 3 complex is a graph showing the electrical conductivity of the (carbon content 0.6 vol%). RGO/STO複合体中、(a)粒界にRGOを含む、又は、(b)粒界にRGOを含まない、低角度環状暗視野(LAADF:Low-angle annular dark field)画像である。The RGO / STO composite is a low-angle annular dark field (LAADF) image in which (a) RGO is included in grain boundaries or (b) RGO is not included in grain boundaries. 実施例2〜5で作製したRGO/STO複合体2〜5、比較例2で作製した純粋なSTOについて摺動回数に対する平均動摩擦係数をプロットしたグラフである。6 is a graph plotting the average dynamic friction coefficient against the number of sliding times for the RGO / STO composites 2 to 5 produced in Examples 2 to 5 and the pure STO produced in Comparative Example 2. FIG. 実施例2で作製したRGO/STO複合体2についてラマン分光分析をおこなった結果である。It is the result of having performed the Raman spectroscopic analysis about the RGO / STO composite 2 produced in Example 2. FIG. 実施例3で作製したRGO/STO複合体3についてラマン分光分析をおこなった結果である。It is the result of having conducted the Raman spectroscopic analysis about the RGO / STO composite 3 produced in Example 3. FIG. 実施例4で作製したRGO/STO複合体4についてラマン分光分析をおこなった結果である。It is the result of having performed the Raman spectroscopic analysis about the RGO / STO composite 4 produced in Example 4. FIG. 実施例5で作製したRGO/STO複合体5についてラマン分光分析をおこなった結果である。It is the result of having performed the Raman spectroscopic analysis about the RGO / STO composite 5 produced in Example 5. FIG. 比較例2で作製した純粋なSTOについてラマン分光分析をおこなった結果である。It is the result of having performed the Raman spectroscopic analysis about the pure STO produced in the comparative example 2. FIG.

以下に本発明を詳述する。
なお、以下において記載する本発明の個々の好ましい形態を2つ以上組み合わせたものもまた、本発明の好ましい形態である。
The present invention is described in detail below.
A combination of two or more preferred embodiments of the present invention described below is also a preferred embodiment of the present invention.

<複合体セラミックス>
本発明の複合体セラミックスは、上記一般式(1)で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物と、炭素材料との複合体である。上記酸化物に炭素材料が複合化することにより、複合体中に空孔を生成して熱電変換特性を優れたものとすることができ、また、複合化の際に通常生じるセラミックスの粒子成長を抑え、粒径を小さく保持して熱伝導性を低く抑えることができる。
複合体セラミックスの熱電変換特性は、熱電変換素子中の熱電変換層における性能指数Z(K−1)と絶対温度(K)との積である無次元性能指数ZT値を用いて評価される。該ZT値は、下記式で表される。
ZT=(S・σ/κ)・T
上記式中、Sは、ゼーベック係数(VK−1)を表し、Sが正の値であればp型の素子であり、負の値であればn型の素子である。σは、電気伝導率(導電率)(Ω−1−1)を表す。κは、熱伝導率(Wm−1−1)を表す。Tは、絶対温度(K)を表す。
理論的には、ZT値が大きい熱電変換材料を適用して廃熱がリサイクルされると、燃料の効率が大幅に改善される。
なお、S・σをパワーファクター(PF)とも言う。パワーファクター(PF)が大きいほど、ZT値が大きくなり、熱電変換特性が優れる。
ZT値、PFは、実施例の方法で測定・算出される。
<Composite ceramics>
The composite ceramic of the present invention is a composite of an oxide having a perovskite crystal structure represented by the general formula (1) and a carbon material. By compounding a carbon material with the oxide, it is possible to generate pores in the composite to improve the thermoelectric conversion characteristics, and to increase the ceramic particle growth that normally occurs during the composite. The thermal conductivity can be kept low by keeping the particle size small.
The thermoelectric conversion characteristics of the composite ceramics are evaluated using a dimensionless figure of merit ZT value which is the product of the figure of merit Z (K −1 ) and the absolute temperature (K) in the thermoelectric conversion layer in the thermoelectric conversion element. The ZT value is represented by the following formula.
ZT = (S 2 · σ / κ) · T
In the above formula, S represents the Seebeck coefficient (VK −1 ). If S is a positive value, it is a p-type element, and if it is a negative value, it is an n-type element. σ represents electrical conductivity (conductivity) (Ω −1 m −1 ). κ represents thermal conductivity (Wm −1 K −1 ). T represents the absolute temperature (K).
Theoretically, when waste heat is recycled by applying a thermoelectric conversion material having a large ZT value, the efficiency of fuel is greatly improved.
S 2 · σ is also referred to as a power factor (PF). The larger the power factor (PF), the larger the ZT value and the better the thermoelectric conversion characteristics.
The ZT value and PF are measured and calculated by the method of the embodiment.

本発明の複合体セラミックスは、炭素材料、ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物をそれぞれ1種ずつ用いて複合化されたものであってもよく、2種以上用いて複合化されたものであってもよい。また、炭素材料、ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物以外のその他の成分を含んでいてもよい。 The composite ceramic of the present invention may be composited using one kind of carbon material and one oxide each having a perovskite crystal structure, or may be composited using two or more kinds. Also good. Moreover, other components other than the carbon material and the oxide having a perovskite crystal structure may be included.

上記炭素材料は、例えばグラフェン骨格を有するものであることが好ましい。炭素材料としてグラフェン骨格を有するものを用いることで、本発明の複合体セラミックスが熱電変換素子の材料としてより好適なものとなる。これは、グラフェン骨格を有する炭素材料はアスペクト比が大きく、少量で良好な分散状態を形成しやすいことによるものと考えられる。
上記グラフェン骨格を有する炭素材料は、sp結合で結合した炭素(C)を有し、該炭素が平面的に並んだものである限り特に制限されないが、酸素(O)と結合した炭素を有するものであることが好ましい。言い換えれば、本発明の複合体セラミックスにおける上記炭素材料は、酸化黒鉛であることが好ましい。より好ましくは、グラフェンの炭素に酸素が結合した酸化グラフェンである。
なお、一般的にグラフェンとは、sp結合で結合した炭素原子が平面的に並んだ1層からなるシートをいい、グラフェンシートが多数積層されたものはグラファイトといわれるが、本発明におけるグラフェン骨格を有する炭素材料や、本発明における酸化グラフェンには、1層のみからなるシートのみではなく、2〜100層程度積層した構造を有するものも含まれる。後述するグラフェン結晶も同様である。
このような積層した構造を有する酸化グラフェンは、例えば、グラファイトを公知の酸化剤で処理して得ることができる。
本発明に係る炭素材料は、更に、カルボキシル基、水酸基、硫黄含有基、脂環型エポキシ基等の官能基を有していてもよい。
The carbon material preferably has, for example, a graphene skeleton. By using a carbon material having a graphene skeleton, the composite ceramic of the present invention is more suitable as a material for a thermoelectric conversion element. This is presumably because the carbon material having a graphene skeleton has a large aspect ratio and can easily form a good dispersion state in a small amount.
The carbon material having the graphene skeleton has carbon (C) bonded by sp 2 bond, and is not particularly limited as long as the carbon is arranged in a plane, but has carbon bonded to oxygen (O). It is preferable. In other words, the carbon material in the composite ceramic of the present invention is preferably graphite oxide. More preferably, it is graphene oxide in which oxygen is bonded to carbon of graphene.
In general, graphene refers to a sheet composed of a single layer in which carbon atoms bonded by sp 2 bonds are arranged in a plane, and a graph laminated with a large number of graphene sheets is called graphite. The carbon material having the above and the graphene oxide in the present invention include not only a sheet consisting of only one layer but also those having a structure in which about 2 to 100 layers are laminated. The same applies to the graphene crystal described later.
Graphene oxide having such a laminated structure can be obtained by treating graphite with a known oxidizing agent, for example.
The carbon material according to the present invention may further have a functional group such as a carboxyl group, a hydroxyl group, a sulfur-containing group, and an alicyclic epoxy group.

上記グラフェン骨格を有する炭素材料は、酸素原子数に対する炭素原子数の比が0.7〜100であることが好ましい。酸素原子数に対する炭素原子数の比がこのような範囲にあるものであると、炭素材料が良好な導電性を発揮するため好ましい。
グラフェン骨格を有する炭素材料の酸素原子数に対する炭素原子数の比は、XPS測定で得られるO1s領域の全ピーク面積とC1s領域の全ピーク面積との比率により確認することができる。
The carbon material having the graphene skeleton preferably has a ratio of the number of carbon atoms to the number of oxygen atoms of 0.7 to 100. It is preferable for the ratio of the number of carbon atoms to the number of oxygen atoms to be in such a range because the carbon material exhibits good conductivity.
The ratio of the number of carbon atoms to the number of oxygen atoms of the carbon material having a graphene skeleton can be confirmed by the ratio of the total peak area of the O1s region and the total peak area of the C1s region obtained by XPS measurement.

上記炭素材料は、比表面積が1m/g以上であることが好ましく、10m/g以上であることがより好ましい。このような比表面積の炭素材料を用いることによって、酸化物と複合化させた際に、高い分散性を維持することが可能となる。該比表面積は、その上限は特に限定されないが、例えば2500m/g以下とすることができる。
上記比表面積は、窒素吸着BET法で比表面積測定装置により測定することができる。
The carbon material preferably has a specific surface area of 1 m 2 / g or more, and more preferably 10 m 2 / g or more. By using a carbon material having such a specific surface area, high dispersibility can be maintained when it is combined with an oxide. The upper limit of the specific surface area is not particularly limited, but may be, for example, 2500 m 2 / g or less.
The specific surface area can be measured by a specific surface area measuring device by a nitrogen adsorption BET method.

上記炭素材料は、平均粒子径が1000μm以下であるものが好ましく、特に、500μm以下であるものが好ましい。また、該平均粒子径は、5nm以上であることが好ましく、特に、1000nm以上であることが好ましい。
上記平均粒子径は、粒度分布測定装置を用いたり、電子顕微鏡及び原子間力顕微鏡を用いて観察したりすることにより測定することができる。
The carbon material preferably has an average particle size of 1000 μm or less, and particularly preferably 500 μm or less. The average particle size is preferably 5 nm or more, and particularly preferably 1000 nm or more.
The average particle diameter can be measured by using a particle size distribution measuring device or observing using an electron microscope and an atomic force microscope.

上記炭素材料の形状としては、微粉状、粉状、粒状、顆粒状、鱗片状、多面体状、ロッド状、曲面含有状等が挙げられる。なお、平均粒子径が上述のような範囲の粒子は、例えば、粒子をボールミル等により粉砕し、得られた粗粒子を分散剤に分散させて所望の粒子径にした後に乾固する方法や、該粗粒子をふるい等にかけて粒子径を選別する方法のほか、粒子を製造する段階で調製条件を最適化し、所望の粒径の(ナノ)粒子を得る方法等により製造することが可能である。 Examples of the shape of the carbon material include fine powder, powder, granule, granule, scale, polyhedron, rod, and curved surface. In addition, the particles having an average particle size in the above-described range are, for example, a method of pulverizing particles with a ball mill or the like, dispersing the obtained coarse particles in a dispersant to obtain a desired particle size, and drying to solidify, In addition to the method of selecting the particle diameter by sieving the coarse particles, etc., it is possible to optimize the preparation conditions at the stage of producing the particles to obtain (nano) particles having a desired particle diameter.

上記炭素材料は、複合化の際に還元され、本発明の複合体セラミックス中で還元されるものであってもよい。例えば、上記炭素材料が酸化黒鉛である場合は、本発明の複合体セラミックス中で、上記酸化黒鉛は還元されて還元型酸化黒鉛となっていてもよい。 The carbon material may be reduced at the time of compounding and reduced in the composite ceramic of the present invention. For example, when the carbon material is graphite oxide, in the composite ceramic of the present invention, the graphite oxide may be reduced to form reduced graphite oxide.

本発明の複合体セラミックスは、炭素含有量が5体積%以下であることが好ましい。このように炭素含有量を少なくすることにより、炭素材料のネットワークが生じることを充分に抑制でき、ゼーベック係数を充分に高い値に維持でき、本発明の複合体セラミックスの熱電変換特性をより優れたものとすることができる。上記炭素含有量は、3体積%以下であることがより好ましく、1体積%以下であることが更に好ましい。
また本発明の複合体セラミックスは、良好な電気伝導率を発揮しつつ、複合体中で炭素材料が均一分布することができ、複合体セラミックスを用いて作製した素子等が良好な強度を有するものとする観点からは、炭素含有量が0.1体積%以上であることが好ましく、0.2体積%以上であることがより好ましく、0.3体積%以上であることが更に好ましい。
The composite ceramic of the present invention preferably has a carbon content of 5% by volume or less. By reducing the carbon content in this way, it is possible to sufficiently suppress the formation of a network of carbon materials, to maintain the Seebeck coefficient at a sufficiently high value, and to improve the thermoelectric conversion characteristics of the composite ceramic of the present invention. Can be. The carbon content is more preferably 3% by volume or less, and still more preferably 1% by volume or less.
Further, the composite ceramic of the present invention is capable of uniformly distributing the carbon material in the composite while demonstrating good electrical conductivity, and an element made using the composite ceramic has good strength. In view of the above, the carbon content is preferably 0.1% by volume or more, more preferably 0.2% by volume or more, and still more preferably 0.3% by volume or more.

硬度及び耐摩耗性の観点からも、本発明の複合体セラミックスは、炭素含有量が3体積%以下であることが好ましい。このように炭素含有量を少なくすることにより、セラミックス同士の焼結を過剰に抑制せず、本発明の複合体セラミックスの硬度及び耐摩耗性を良好にすることができる。硬度及び耐摩耗性の観点からは、上記炭素含有量は、1体積%以下であることがより好ましく、0.5体積%以下であることが更に好ましい。
また本発明の複合体セラミックスは、炭素含有量が少なすぎると、セラミックスの焼結が充分に進行し、硬度及び耐摩耗性が低下するおそれがあるため、この観点から、炭素含有量が0.01体積%以上であることが好ましく、0.03体積%以上であることがより好ましく、0.05体積%以上であることが更に好ましい。
上記炭素含有量は、実施例の方法により測定されるものである。
Also from the viewpoint of hardness and wear resistance, the composite ceramic of the present invention preferably has a carbon content of 3% by volume or less. By reducing the carbon content in this way, it is possible to improve the hardness and wear resistance of the composite ceramic of the present invention without excessively suppressing the sintering of the ceramics. From the viewpoint of hardness and wear resistance, the carbon content is more preferably 1% by volume or less, and still more preferably 0.5% by volume or less.
In addition, if the composite ceramic of the present invention has too little carbon content, the ceramics may be sufficiently sintered and the hardness and wear resistance may be lowered. It is preferably at least 01% by volume, more preferably at least 0.03% by volume, and even more preferably at least 0.05% by volume.
The said carbon content is measured by the method of an Example.

本発明に係る酸化物は、下記一般式(1):
ABO3±δ (1)
(式(1)中、A及びBは、ペロブスカイト型結晶構造を形成できる元素を表し、少なくとも一方は金属元素であり、δは、酸素欠損量を表し、0以上、1以下の数である。)で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する。
The oxide according to the present invention has the following general formula (1):
ABO 3 ± δ (1)
(In the formula (1), A and B represent an element capable of forming a perovskite crystal structure, at least one is a metal element, and δ represents an oxygen deficiency and is a number of 0 or more and 1 or less. And a perovskite crystal structure represented by:

上記式(1)中、A及びBは、ペロブスカイト型結晶構造を形成できる元素を表し、一方が金属元素である限り特に限定されないが、それぞれが金属元素を表すことが好ましい。
またAは、アルカリ土類金属元素又は希土類金属元素を表すことが好ましい。該アルカリ土類金属元素としては、例えばCa、Sr、Ba等が挙げられる。
希土類金属元素としては、例えばSc、Y、ランタノイド等が挙げられる。
In the above formula (1), A and B represent elements that can form a perovskite crystal structure, and are not particularly limited as long as one is a metal element, but each preferably represents a metal element.
A preferably represents an alkaline earth metal element or a rare earth metal element. Examples of the alkaline earth metal element include Ca, Sr, Ba and the like.
Examples of rare earth metal elements include Sc, Y, and lanthanoids.

上記式(1)中、Bは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、又は、Wを表すことが好ましく、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、又は、Moを表すことがより好ましい。 In the above formula (1), B preferably represents Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, or W, and Ti, V, Mn, Fe More preferably, it represents Co, Ni, Zr, Nb, or Mo.

中でも、上記酸化物は、その大きなキャリア有効質量、高温安定性、ドーピングに対する許容性からSrTiO3±δ(δは、酸素欠損量を表し、0以上、1以下の数である。)で表されるペロブスカイト型結晶構造を有するものであることが特に好ましい。この酸化物は、n型熱電材料として、キャリア有効質量、高温安定性、ドーピングに対する許容性に優れるが、本発明の複合体セラミックス中に複合化されることで本発明の効果をより顕著に発揮できる。ABO組成を持つ典型的なペロブスカイトとして、ドーピングしていないSTOは真性絶縁体である。Aサイト又はBサイトに異種ドーパントを導入することや、酸素空孔を生成させるための還元処理によって、電気伝導性が付与される。本発明の複合体セラミックスは、例えば複合化の際に酸素空孔が生成することで、キャリア密度が特に高いものとなり、高い電気伝導性を発揮できる。 Among these, the oxide is represented by SrTiO 3 ± δ (δ represents the amount of oxygen deficiency and is a number of 0 or more and 1 or less) because of its large effective carrier mass, high temperature stability, and tolerance to doping. It is particularly preferable to have a perovskite crystal structure. This oxide, as an n-type thermoelectric material, is excellent in effective carrier mass, high-temperature stability, and doping tolerance, but exhibits the effect of the present invention more remarkably by being compounded in the composite ceramic of the present invention. it can. As a typical perovskite with ABO 3 composition, undoped STO is an intrinsic insulator. Electrical conductivity is imparted by introducing a different dopant into the A site or the B site or by reduction treatment for generating oxygen vacancies. In the composite ceramic of the present invention, for example, oxygen vacancies are generated during composite formation, so that the carrier density is particularly high and high electrical conductivity can be exhibited.

本発明の複合体セラミックス中の酸化物の平均粒子径が10μm以下であることが好ましい。本発明の複合体セラミックスの平均粒子径がこのように抑制されたものであると、熱伝導率をより充分に低いものとすることができ、熱電変換材料としてより好適なものとなる。該平均粒子径は、5μm以下であることがより好ましく、2μm以下であることが更に好ましく、1μm以下であることが特に好ましい。
該平均粒子径は、その下限値は特に限定されないが、通常0.1μm以上である。
上記平均粒子径は、実施例の方法によりEBSDで測定することができる。
The average particle size of the oxide in the composite ceramic of the present invention is preferably 10 μm or less. When the average particle size of the composite ceramic of the present invention is suppressed in this way, the thermal conductivity can be made sufficiently lower, and it becomes more suitable as a thermoelectric conversion material. The average particle diameter is more preferably 5 μm or less, still more preferably 2 μm or less, and particularly preferably 1 μm or less.
The lower limit of the average particle diameter is not particularly limited, but is usually 0.1 μm or more.
The said average particle diameter can be measured by EBSD by the method of an Example.

本発明の複合体セラミックスは、上記ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物の含有量が95〜99.9体積%であることが好ましい。このような含有割合とすることで、複合体セラミックスが熱電変換特性により優れたものとなる。上記ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物の割合は、より好ましくは、97〜99.8体積%であり、更に好ましくは、99〜99.7体積%である。 In the composite ceramic of the present invention, the content of the oxide having the perovskite crystal structure is preferably 95 to 99.9% by volume. By setting it as such a content rate, composite ceramics will become the thing excellent in the thermoelectric conversion characteristic. The ratio of the oxide having the perovskite crystal structure is more preferably 97 to 99.8% by volume, and still more preferably 99 to 99.7% by volume.

硬度及び耐摩耗性の観点からは、本発明の複合体セラミックスは、上記ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物の含有量が97〜99.99体積%であることが好ましい。このような含有割合とすることで、複合体セラミックスが硬度及び耐摩耗性により優れたものとなる。上記観点からは、上記ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物の割合は、より好ましくは、99〜99.97体積%であり、更に好ましくは、99.5〜99.95体積%である。 From the viewpoint of hardness and wear resistance, the composite ceramic of the present invention preferably contains 97 to 99.99% by volume of the oxide having the perovskite crystal structure. By setting it as such a content rate, composite ceramics will be excellent in hardness and abrasion resistance. From the above viewpoint, the ratio of the oxide having the perovskite crystal structure is more preferably 99 to 99.97% by volume, and still more preferably 99.5 to 99.95% by volume.

本発明の複合体セラミックスは、ラマン分光測定による2Dバンドのピーク強度I(2D)とGバンドのピーク強度I(G)の比I(2D)/I(G)が0.1以上であることが好ましい。このような複合体セラミックスは、薄層の炭素材料がより均一に複合体セラミックス中に分散しているものであるため、本発明の熱電変換特性をより顕著に発揮できるものである。該比I(2D)/I(G)は、0.2以上であることがより好ましく、0.3以上であることが更に好ましい。
該比I(2D)/I(G)は、その上限値は特に限定されないが、通常2以下である。
上記比I(2D)/I(G)は、実施例の方法でラマンスペクトルを測定することにより算出されるものである。
In the composite ceramic of the present invention, the ratio I (2D) / I (G) of the peak intensity I (2D) of the 2D band and the peak intensity I (G) of the G band measured by Raman spectroscopy is 0.1 or more. Is preferred. Such a composite ceramic is one in which the thin layer carbon material is more uniformly dispersed in the composite ceramic, and therefore, the thermoelectric conversion characteristics of the present invention can be exhibited more remarkably. The ratio I (2D) / I (G) is more preferably 0.2 or more, and further preferably 0.3 or more.
The upper limit of the ratio I (2D) / I (G) is not particularly limited, but is usually 2 or less.
The ratio I (2D) / I (G) is calculated by measuring a Raman spectrum by the method of the example.

本発明の複合体セラミックスは、300Kでのキャリア密度が5×1019cm−3以上であることが好ましい。該キャリア密度は、1.0×1020cm−3以上であることがより好ましい。
上記キャリア密度は、その上限値は特に限定されないが、通常1.0×1022cm−3以下である。
上記キャリア密度は、実施例の方法で測定されるものである。
The composite ceramic of the present invention preferably has a carrier density at 300K of 5 × 10 19 cm −3 or more. The carrier density is more preferably 1.0 × 10 20 cm −3 or more.
The upper limit of the carrier density is not particularly limited, but is usually 1.0 × 10 22 cm −3 or less.
The carrier density is measured by the method of the example.

本発明の複合体セラミックスは、473Kでの電気伝導率が2000S/m以上(2000A/V・m以上)であることが好ましく、3000S/m以上であることがより好ましい。
上記電気伝導率は、その上限値は特に限定されないが、通常100000S/m以下である。
上記電気伝導率は、実施例の方法で測定されるものである。
The composite ceramic of the present invention preferably has an electric conductivity at 473 K of 2000 S / m or more (2000 A / V · m or more), more preferably 3000 S / m or more.
The upper limit of the electrical conductivity is not particularly limited, but is usually 100,000 S / m or less.
The electrical conductivity is measured by the method of the example.

本発明の複合体セラミックスは、373Kでの格子熱伝導率κと電子熱伝導率κとの和である総熱伝導率κtotalが10W/m・K以下であることが好ましく、8W/m・K以下であることがより好ましく、6W/m・K以下であることが更に好ましい。
上記総熱伝導率κtotalは、その下限値は特に限定されないが、通常0.1W/m・K以上である。
上記総熱伝導率κtotalは、実施例の方法で測定されるものである。
The composite ceramic of the present invention preferably has a total thermal conductivity κ total, which is the sum of the lattice thermal conductivity κ l and the electronic thermal conductivity κ e at 373 K, of 10 W / m · K or less, and 8 W / It is more preferably m · K or less, and further preferably 6 W / m · K or less.
The lower limit of the total thermal conductivity κ total is not particularly limited, but is usually 0.1 W / m · K or more.
The total thermal conductivity κ total is measured by the method of the example.

本発明の複合体セラミックスは、473Kでの熱電変換のパワーファクターが4×10−4W/m・K以上であることが好ましく、5×10−4W/m・K以上であることがより好ましい。
上記パワーファクターは、その上限値は特に限定されないが、通常1×10−2W/m・K以下である。
上記パワーファクターは、実施例の方法で測定・算出されるものである。
In the composite ceramic of the present invention, the power factor of thermoelectric conversion at 473 K is preferably 4 × 10 −4 W / m · K 2 or more, and preferably 5 × 10 −4 W / m · K 2 or more. Is more preferable.
The upper limit of the power factor is not particularly limited, but is usually 1 × 10 −2 W / m · K 2 or less.
The power factor is measured and calculated by the method of the embodiment.

本発明の複合体セラミックスは、炭素が導入されたことにより優れた強度を発揮できる可能性があり、種々の用途への適用可能性があるが、中でも熱電変換材料;ポンプ部品;切削工具;シールリング;軸受け;ボールミルのボール、ブレード等の粉砕部品;医療器具;手術器具;治具;電気機器;デバイス用部品;建材製品として用いられることが好ましく、熱電変換材料として用いられることがさらに好ましい。熱電変換材料の場合、例えばn型熱電変換材料、p型熱電変換材料の一方又は両方に好適に使用できるが、中でもn型熱電変換材料として用いられることがより好ましい。なお、通常、複合化に用いた酸化物の種類によって、n型熱電変換材料になるか、p型熱電変換材料になるかが決まる。
なお、熱電変換材料は、一般的には熱を電力に変換する熱電変換素子中の熱電変換層等に用いられる材料であり、本発明の複合体セラミックスそのものであってもよく、その他の樹脂、各種添加剤等を必要に応じて更に含んで構成されるものであってもよい。
The composite ceramics of the present invention may be able to exhibit excellent strength due to the introduction of carbon, and may be applied to various uses. Among them, thermoelectric conversion materials; pump parts; cutting tools; seals Rings; bearings; pulverized parts such as balls and blades of ball mills; medical instruments; surgical instruments; jigs; electrical equipment; parts for devices; preferably used as building material products, and more preferably used as thermoelectric conversion materials. In the case of a thermoelectric conversion material, for example, it can be suitably used for one or both of an n-type thermoelectric conversion material and a p-type thermoelectric conversion material, but among them, it is more preferably used as an n-type thermoelectric conversion material. Normally, depending on the type of oxide used for the composite, it is determined whether it is an n-type thermoelectric conversion material or a p-type thermoelectric conversion material.
The thermoelectric conversion material is a material generally used for a thermoelectric conversion layer or the like in a thermoelectric conversion element that converts heat into electric power, and may be the composite ceramic itself of the present invention, other resins, Various additives and the like may be further included as necessary.

(本発明の複合体セラミックスの製造方法)
本発明の複合体セラミックスは、種々の混合方法を用いて上記炭素材料と上記ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物とを混合して作製することができるが、複合体セラミックスを緻密化し、粒子成長を抑え、また長時間加熱する必要がなく炭素が燃えることを充分に防止して本発明の効果をより顕著に発揮する観点からは、本発明の製造方法は、炭素材料とペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物とを焼結する工程を含むことが好ましく、中でもパルス通電加圧焼結法で焼結する工程を含むことがより好ましい。言い換えれば、本発明は、複合体セラミックスを製造する方法であって、該製造方法は、下記一般式(1):
ABO3±δ (1)
(式(1)中、A及びBは、ペロブスカイト型結晶構造を形成できる元素を表し、少なくとも一方は金属元素であり、δは、酸素欠損量を表し、0以上、1以下の数である。)で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物と、炭素材料とを、パルス通電加圧焼結法で焼結する工程を含むことを特徴とする複合体セラミックスの製造方法でもある。
(Method for producing composite ceramics of the present invention)
The composite ceramic of the present invention can be produced by mixing the carbon material and the oxide having the perovskite crystal structure by using various mixing methods. From the viewpoint of suppressing the heating and preventing the burning of carbon sufficiently without the need for heating for a long period of time, the manufacturing method of the present invention has a carbon material and a perovskite crystal structure. It is preferable to include a step of sintering an oxide, and it is more preferable to include a step of sintering by a pulse current pressure sintering method. In other words, the present invention is a method for producing a composite ceramic, which comprises the following general formula (1):
ABO 3 ± δ (1)
(In the formula (1), A and B represent an element capable of forming a perovskite crystal structure, at least one is a metal element, and δ represents an oxygen deficiency and is a number of 0 or more and 1 or less. It is also a method for producing a composite ceramic, comprising a step of sintering an oxide having a perovskite type crystal structure represented by) and a carbon material by a pulse current pressure sintering method.

上記焼結工程における温度は、500℃以上が好ましい。より好ましくは700℃以上であり、更に好ましくは1000℃以上である。また、該温度は、2000℃以下であることが好ましく、1500℃以下であることがより好ましい。焼結工程をおこなう時間は、1分〜5時間が好ましい。より好ましくは2分〜3時間であり、更に好ましくは3分〜1時間である。
焼結は空気中で行ってもよく、窒素、ヘリウム、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中で行ってもよい。またその圧力条件は特に限定されず、加圧条件下、常圧条件下、減圧条件下で行うことができる。
The temperature in the sintering step is preferably 500 ° C. or higher. More preferably, it is 700 degreeC or more, More preferably, it is 1000 degreeC or more. In addition, the temperature is preferably 2000 ° C. or lower, and more preferably 1500 ° C. or lower. The time for performing the sintering step is preferably 1 minute to 5 hours. More preferably, it is 2 minutes-3 hours, More preferably, it is 3 minutes-1 hour.
Sintering may be performed in air or in an inert gas atmosphere such as nitrogen, helium, or argon. Further, the pressure condition is not particularly limited, and it can be performed under pressure, normal pressure, and reduced pressure.

本発明の製造方法は、焼結工程前に、炭素材料とペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物とをヘテロ凝集によって均一に混合する工程を更に含むことが好ましい。混合工程は、例えば、正の電荷をもつ酸化物が分散した水中に、負に帯電した炭素材料の水分散体を連続的又は断続的に注入することによって行うことができる。この工程は、負に帯電した炭素材料を引き付けるのに充分な正の表面電荷(ゼータ電位)を酸化物が水中で形成できる場合に特に有効である。
原料酸化物が水中で正の表面電荷を帯びるように、混合工程前に、酸化物を(3−アミノプロピル)トリメトキシシラン等のアミノ基含有シラン化合物等と反応させて酸化物表面にNH2+等の正の表面電荷をもつ基を有する基をグラフトすることが好ましい。
The production method of the present invention preferably further includes a step of uniformly mixing the carbon material and the oxide having a perovskite crystal structure by heteroaggregation before the sintering step. The mixing step can be performed, for example, by continuously or intermittently injecting a water dispersion of a negatively charged carbon material into water in which a positively charged oxide is dispersed. This step is particularly effective when the oxide can form a positive surface charge (zeta potential) sufficient in water to attract the negatively charged carbon material.
As the raw material oxide carry a positive surface charge in water, before the mixing step, oxide (3-aminopropyl) NH 2+ on oxide surfaces by reacting an amino group-containing silane compounds such as trimethoxysilane It is preferable to graft a group having a group having a positive surface charge such as.

<熱電変換素子>
熱電変換素子は、一般的には、p型とn型の2種類の熱電変換材料を組み合わせて作製される、熱を電力に変換する素子である。
上述のように、熱電変換材料を用いて大きな電力を得る場合、高温側の絶縁材料と低温側の絶縁材料とにn型熱電変換材料、p型熱電変換材料の両方が挟まれた熱電変換素子を構成することになる。本発明の熱電変換材料は、上述した本発明の複合体セラミックスを含むものであり、n型熱電変換材料、p型熱電変換材料の一方又は両方に使用できる。
このような、本発明の熱電変換材料を含んで構成される熱電変換素子もまた、本発明の1つである。
<Thermoelectric conversion element>
A thermoelectric conversion element is generally an element that converts heat into electric power, which is produced by combining two types of thermoelectric conversion materials, p-type and n-type.
As described above, when a large electric power is obtained using a thermoelectric conversion material, a thermoelectric conversion element in which both an n-type thermoelectric conversion material and a p-type thermoelectric conversion material are sandwiched between an insulating material on a high temperature side and an insulating material on a low temperature side. Will be configured. The thermoelectric conversion material of the present invention includes the composite ceramic of the present invention described above, and can be used for one or both of an n-type thermoelectric conversion material and a p-type thermoelectric conversion material.
Such a thermoelectric conversion element including the thermoelectric conversion material of the present invention is also one aspect of the present invention.

上記熱電変換素子は通常、熱電変換材料の他、電極を含んで構成される。電極の材料は特に制限されないが、例えば、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化インジウム亜鉛(IZO)等の透明電極、金属、導電性炭素材料等が挙げられる。 The thermoelectric conversion element is usually configured to include an electrode in addition to the thermoelectric conversion material. The material of the electrode is not particularly limited, and examples thereof include transparent electrodes such as indium tin oxide (ITO) and indium zinc oxide (IZO), metals, and conductive carbon materials.

本発明の熱電変換素子は種々の形態で利用することができ、本発明の熱電変換素子の用途としては、例えば、地熱・温泉熱発電機、太陽熱発電機、工場や自動車等の廃熱発電機、体温発電機等の発電機や、該発電機を電源の少なくとも一つとして用いた各種電気製品、電動機、人工衛星等が挙げられる。なお、熱電変換素子を多数搭載して、所望の電力が得られる熱電変換装置を構成してもよい。 The thermoelectric conversion element of the present invention can be used in various forms. Examples of applications of the thermoelectric conversion element of the present invention include geothermal / hot spring thermal generators, solar thermal generators, waste heat generators such as factories and automobiles, body temperature, etc. Examples thereof include generators such as generators, various electric products using the generator as at least one power source, electric motors, and artificial satellites. In addition, you may comprise the thermoelectric conversion apparatus which mounts many thermoelectric conversion elements and can obtain desired electric power.

以下に実施例を掲げて本発明を更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。なお、特に断りのない限り、「部」は「重量部」を、「%」は「質量%」を意味するものとする。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. However, the present invention is not limited to these examples. Unless otherwise specified, “part” means “part by weight” and “%” means “mass%”.

各種特性値は、以下の方法により測定した。
(透過型電子顕微鏡(TEM)観察、電子エネルギー損失分光(EELS)、及び、低角度環状暗視野(LAADF))
日本電子(株)製の原子分解能分析電子顕微鏡(JEM−ARM200F)を用いて行った。
(電子線後方散乱回折(EBSD))
日本電子(株)製の電界放出型走査電子顕微鏡(JSM−7100F)を用いて行った。
Various characteristic values were measured by the following methods.
(Transmission electron microscope (TEM) observation, electron energy loss spectroscopy (EELS), and low-angle annular dark field (LAADF))
This was performed using an atomic resolution analytical electron microscope (JEM-ARM200F) manufactured by JEOL.
(Electron backscatter diffraction (EBSD))
A field emission scanning electron microscope (JSM-7100F) manufactured by JEOL Ltd. was used.

(電界放出型走査電子顕微鏡(SEM)観察)
日本電子(株)製の走査電子顕微鏡(JSM−6500F)を用いて行った。
(顕微ラマンスペクトル)
波長532nmの入射レーザー光で100倍対物レンズを有するSOLAR TII Nanofider(東京インスツルメンツ社)を用いて測定した。
(Field emission scanning electron microscope (SEM) observation)
This was performed using a scanning electron microscope (JSM-6500F) manufactured by JEOL.
(Micro Raman spectrum)
Measurement was performed using a SOLAR TII Nanofider (Tokyo Instruments Inc.) having a 100 × objective lens with an incident laser beam having a wavelength of 532 nm.

(X線回折(XRD)パターン)
Cu Kα放射源(λ=0.15418nm)を有するリガク社製の粉末X線回折装置Smartlab 9kw回折計を用いて測定し、結晶構造、空間群、格子定数を算出した。
(電気伝導率、ゼーベック係数、及び、パワーファクター(PF))
低圧ヘリウム雰囲気下で熱電変換特性評価装置(ZEM−3、アルバック理工(株)製)を用いて、温度差曲線の傾きに基づく静的直流法によって測定し算出した。
(X-ray diffraction (XRD) pattern)
The crystal structure, space group, and lattice constant were calculated using a powder X-ray diffractometer Smartlab 9 kw diffractometer manufactured by Rigaku Corporation having a Cu Kα radiation source (λ = 0.15418 nm).
(Electrical conductivity, Seebeck coefficient and power factor (PF))
It measured and calculated by the static direct current method based on the inclination of a temperature difference curve using the thermoelectric conversion characteristic evaluation apparatus (ZEM-3, ULVAC-RIKO Co., Ltd. product) under a low-pressure helium atmosphere.

(キャリア密度、キャリア移動度)
大気中、室温でホール測定システム((株)東陽テクニカ製、ResiTest8400シリーズ)を用いて測定した。
(熱拡散率)
レーザーフラッシュアナライザー(LFA457、Netzsch社)を用いてレーザーフラッシュ法により測定した。
(Carrier density, carrier mobility)
It measured using the hall | hole measurement system (The Toyo Technica Co., Ltd. make, ResiTest8400 series) in air | atmosphere at room temperature.
(Thermal diffusivity)
Measurement was performed by a laser flash method using a laser flash analyzer (LFA457, Netzsch).

(比熱)
示差走査熱量計(DSC404F3、Netzsch社)を用いて測定した。
(複合体中の炭素含有量)
炭素・硫黄分析装置(844シリーズ、LECO社製)を用いて測定した。
(ゼータ電位)
ゼータサイザーナノZS(マルバーン社製)を用いてレーザードップラーマイクロ電気泳動技術により、赤色レーザー(波長633nm)にて測定した。なお、試料のpH値は、HCl水溶液(0.01M)及びNaOH水溶液(0.01M)を用いて、MPT−自動滴定装置(マルバーン社製)によって調整した。測定前に試料を0.5時間超音波処理して、均一分散させた。
(specific heat)
It measured using the differential scanning calorimeter (DSC404F3, Netzsch).
(Carbon content in the composite)
Measurement was performed using a carbon / sulfur analyzer (844 series, manufactured by LECO).
(Zeta potential)
Measurement was performed with a red laser (wavelength: 633 nm) by a laser Doppler microelectrophoresis technique using Zetasizer Nano ZS (manufactured by Malvern). The pH value of the sample was adjusted with an MPT-automatic titrator (Malvern) using an aqueous HCl solution (0.01M) and an aqueous NaOH solution (0.01M). Prior to measurement, the sample was sonicated for 0.5 hour to uniformly disperse.

[STOの表面改質(1)]
原料のチタン酸ストロンチウム(STO)粉末(シグマアルドリッチ社製、純度99%、平均サイズ100nm)をトルエン(和光純薬工業(株)、純度99.99%)に加え、4mlの(3−アミノプロピル)トリメトキシシラン(APTS、シグマアルドリッチ社製、純度97%)を得られたSTOの溶液に滴下した。次に、混合液を423Kに加熱し、還流装置を備えた容器内にてAr雰囲気中で6時間保持した。生成物をトルエンで洗浄、真空濾過し、続いて333Kで乾燥し、粒子表面にアミノ基を有する基がグラフトされて表面改質されたSTO(改質STO)粉末を得た。改質STO粉末は水中で正に帯電し、pH3.3で45mVのゼータ電位の最大値が得られ、安定なコロイドが形成された(図7参照)。
[STO surface modification (1)]
Raw material strontium titanate (STO) powder (manufactured by Sigma-Aldrich, purity 99%, average size 100 nm) was added to toluene (Wako Pure Chemical Industries, Ltd., purity 99.99%), and 4 ml of (3-aminopropyl) ) Trimethoxysilane (APTS, Sigma-Aldrich, purity 97%) was added dropwise to the resulting STO solution. Next, the mixed solution was heated to 423 K and kept in an Ar atmosphere for 6 hours in a container equipped with a reflux device. The product was washed with toluene, vacuum filtered, and subsequently dried at 333 K to obtain STO (modified STO) powder whose surface was modified by grafting a group having an amino group onto the particle surface. The modified STO powder was positively charged in water, a maximum zeta potential of 45 mV was obtained at pH 3.3, and a stable colloid was formed (see FIG. 7).

(実施例1)
[RGO/STO複合体1の調製]
酸化グラフェン(GO)を、改良Hummers法(S. Park, J.H. An, R.D. Piner, I. Jung, D.X. Yang, A. Velamakanni, et al., Aqueous suspension and characterization of chemically modified graphene sheets, Chem. Mat. 20 (21) (2008) 6592-6594)により調製した。STO粉末(2.4g)を500mlの脱イオン水に入れ、pHを3.3に調整した。2時間の超音波処理により、STOコロイド溶液を形成した。STOコロイド溶液を撹拌しながら、GOコロイド溶液を滴下した。混合物を濾過し、333Kで乾燥した。
(Example 1)
[Preparation of RGO / STO Complex 1]
Graphene oxide (GO) can be prepared by modified Hummers method (S. Park, JH An, RD Piner, I. Jung, DX Yang, A. Velamakanni, et al., Aqueous suspension and characterization of chemically modified graphene sheets, Chem. Mat. 20 (21) (2008) 6592-6594). STO powder (2.4 g) was placed in 500 ml of deionized water and the pH was adjusted to 3.3. A STO colloidal solution was formed by sonication for 2 hours. The GO colloid solution was added dropwise while stirring the STO colloid solution. The mixture was filtered and dried at 333K.

GOコロイド溶液とSTOコロイド溶液とはヘテロ凝集によって均一に混合した。STOコロイド溶液及びGOコロイド溶液を充分に混合することで、各GOシートがSTOナノ粒子によって完全に捕捉され、GOが均一分布したGO/STO混合粉末が得られた(図9参照)。ヘテロ凝集プロセスによってGOナノシートの再結合及び凝集を効果的に抑制できたことが分かる。なお、図8は、(a)低倍率、(b)高倍率での元のSTO粉末のTEM画像である。 The GO colloid solution and the STO colloid solution were uniformly mixed by heteroaggregation. By thoroughly mixing the STO colloid solution and the GO colloid solution, each GO sheet was completely captured by the STO nanoparticles, and a GO / STO mixed powder in which GO was uniformly distributed was obtained (see FIG. 9). It can be seen that recombination and aggregation of GO nanosheets could be effectively suppressed by the heteroaggregation process. FIG. 8 is a TEM image of the original STO powder at (a) low magnification and (b) high magnification.

GO/STO混合(ハイブリッド)粉末を、真空雰囲気中60MPaの圧力をかけながら、グラファイトダイを用いてパルス通電加圧焼結装置(放電プラズマ焼結装置)(Sinter 511−S、住友石炭鉱業(株)製)を用いて100K/分の昇温速度で室温から1473Kまで制御し、1473Kで5分間保持することにより焼成して緻密化した。焼結中にGOはRGOに還元され、最終的に直径10mm、厚さ3mmのRGO/STO複合体1の円板(ペレット)を得た。RGO/Al複合体(炭素含有量0.6体積%)を、RGO/STO複合体1(炭素含有量0.64体積%)と同じ方法で調製した。比較のために、純粋なSTOセラミックス(炭素含有量0体積%)も同じ条件で焼結した。酸素欠損STOを、純粋なSTOセラミックスをH/Ar流通ガス中で1573Kにて10時間熱処理することによって調製した。
実施例1の方法によって調製された複合体は、マトリックス中のグラフェンが均一分散して凝集がなく、高品質なものであった。
While applying GO / STO mixed (hybrid) powder at a pressure of 60 MPa in a vacuum atmosphere, a pulsed current pressure sintering apparatus (discharge plasma sintering apparatus) using a graphite die (Sinter 511-S, Sumitomo Coal Mining Co., Ltd.) ), And the temperature was controlled from room temperature to 1473 K at a heating rate of 100 K / min, and the mixture was fired and densified by holding at 1473 K for 5 minutes. During sintering, GO was reduced to RGO, and finally a disc (pellet) of RGO / STO composite 1 having a diameter of 10 mm and a thickness of 3 mm was obtained. An RGO / Al 2 O 3 composite (carbon content 0.6% by volume) was prepared in the same manner as RGO / STO composite 1 (carbon content 0.64% by volume). For comparison, pure STO ceramics (carbon content 0% by volume) were also sintered under the same conditions. Oxygen deficient STO was prepared by heat treating pure STO ceramics at 1573 K for 10 hours in H 2 / Ar flowing gas.
The composite prepared by the method of Example 1 was of high quality, with the graphene in the matrix being uniformly dispersed and free of aggregation.

純粋なSTO、酸素欠損のあるSTO(STO−Hとも表記)及び、RGO/STO複合体1の3つの異なるサンプルについて、得られた結晶相を確認するためにまずはX線回折(XRD)により分析した。
以下に、純粋なSTO、STO−H、及び、RGO/STO複合体1のRGO含有量(体積%)、見かけ密度(g/cm)、相対密度(%)、結晶構造、空間群、格子定数を示す。なお、酸素欠損のあるSTOセラミックスは、比較のために、純粋なSTOセラミックスをH/Ar中において熱処理することにより調製したものである。
Three different samples of pure STO, oxygen deficient STO (also denoted as STO-H), and RGO / STO complex 1 were first analyzed by X-ray diffraction (XRD) to confirm the resulting crystal phase. did.
Below, RGO content (volume%), apparent density (g / cm 3 ), relative density (%), crystal structure, space group, lattice of pure STO, STO-H, and RGO / STO composite 1 Indicates a constant. The STO ceramic with oxygen deficiency is prepared by heat-treating pure STO ceramic in H 2 / Ar for comparison.

Figure 2018184336
Figure 2018184336

上記表1に示されるように、XRD測定の結果から、すべてのサンプルがPm3mの空間群を持つ同じ立方晶構造であるだけでなく、標準カードで報告された値に近い非常に類似した格子定数を共通して持っていることも示されており、これらの材料においては化学量論組成STOの構造からの大きな変化はないことが明らかとなった。また、GO/STO混合粉末はパルス通電加圧焼結法で焼結されたことによって緻密なRGO/STO複合体1になる。なお、相対密度がすべて98%以上であることから、緻密になっていると言える。 As shown in Table 1 above, from the results of XRD measurements, not only all samples have the same cubic structure with a Pm3m space group, but also very similar lattice constants close to the values reported by the standard card. It was also shown that these materials do not have a significant change from the structure of the stoichiometric composition STO. Further, the GO / STO mixed powder becomes a dense RGO / STO composite 1 by being sintered by the pulse current pressure sintering method. In addition, since all the relative densities are 98% or more, it can be said that it is dense.

また図1に示すように、すべてのサンプルのXRDパターンが最下段に示す立方晶ペロブスカイトSTO(PDF(登録商標)−#35−0734)と良く一致しており、焼結又は還元プロセス中に相転移が起こっていないことが示されている。複合体にRGO由来のピークが存在しないことは、低い炭素含有量のためと考えられるが、GOから変換されたRGOの存在は、ラマンスペクトルによって同定された(図10)。なお、ラマン分光測定による2Dバンドのピーク強度I(2D)とGバンドのピーク強度I(G)の比I(2D)/I(G)は、0.49であった。 Also, as shown in FIG. 1, the XRD patterns of all the samples are in good agreement with the cubic perovskite STO (PDF®- # 35-0734) shown at the bottom, and during the sintering or reduction process, It has been shown that no metastasis has occurred. The absence of RGO-derived peaks in the complex is thought to be due to the low carbon content, but the presence of RGO converted from GO was identified by Raman spectra (FIG. 10). The ratio I (2D) / I (G) of the peak intensity I (2D) of the 2D band and the peak intensity I (G) of the G band as measured by Raman spectroscopy was 0.49.

セラミックス複合体の微細構造に及ぼすRGOの効果の1つは、熱電材料の熱伝導率を低下させるために重要な、粒子成長の抑制である。EBSDによって示されるように、RGOが無い純粋なSTOの平均粒子径(単に平均サイズとも言う。)は13.31μmであり、粒子は主に平均粒子径10〜18μmの範囲に分布している(図2(a)及び図2(d))。STO−Hでは、焼結後の長時間アニール処理によって、粒子の分布が広がり、平均粒子径は純粋なSTOよりも更に大きくなって14μmに達した(図2(b)及び図2(d))。これに対して、RGO/STO複合体1の場合、複合体中の酸化物の平均粒子径は0.58μmであり、純粋なSTOやSTO−Hよりも20倍以上小さい。更に、複合体中の酸化物の平均粒子径は主に0.6μmに集中しているが、0.2μmより小さいものや1μmより大きいものも含んでおり、実際には異なるサイズの粒子が複合体中で混合した状態にある(図2(c)及び図2(d))。これは、Zhaoらによって提案された理論によると、複合体のZT値の向上に有効である(L.D. Zhao, B.P. Zhang, W.S. Liu, J.F. Li, Effect of mixed grain sizes on thermo-electric performance of Bi2Te3 compound, J. Appl. Phys. 105 (2) (2009) 6)。 One of the effects of RGO on the microstructure of ceramic composites is the suppression of particle growth, which is important for reducing the thermal conductivity of thermoelectric materials. As shown by EBSD, the average particle size of pure STO without RGO (also referred to simply as average size) is 13.31 μm, and the particles are mainly distributed in the range of average particle size of 10-18 μm ( FIG. 2 (a) and FIG. 2 (d)). In STO-H, the long-term annealing treatment after sintering spreads the particle distribution, and the average particle size is larger than that of pure STO, reaching 14 μm (FIGS. 2B and 2D). ). On the other hand, in the case of the RGO / STO composite 1, the average particle diameter of the oxide in the composite is 0.58 μm, which is 20 times or more smaller than that of pure STO or STO-H. Furthermore, although the average particle diameter of oxides in the composite is mainly concentrated at 0.6 μm, it includes particles smaller than 0.2 μm and larger than 1 μm. It is in a mixed state in the body (FIGS. 2 (c) and 2 (d)). This is effective in improving the ZT value of the complex according to the theory proposed by Zhao et al. (LD Zhao, BP Zhang, WS Liu, JF Li, Effect of mixed grain sizes on thermo-electric performance of Bi 2 Te 3 compound, J. Appl. Phys. 105 (2) (2009) 6).

複合体中のRGOの詳細な構造情報は、EBSDや走査型電子顕微鏡(図11)ではほとんど得られなかったため、RGO/STO複合体1の微細構造について、図3に示すようにTEMとHRTEMで観察した。複合体中の充分に緻密で微細な粒子構造を、TEM観察によって再確認した(図3(a))。より高倍率の明視野像(図3(b))において、周囲のSTOマトリックスに対してRGOは明確に識別でき、RGOが複合体中で均一に分布しており重大な凝集が無いことが確かめられた。更に、複合体には、粒界に存在するものと粒子内部に含まれるものとの2種類のRGOが存在する(図3(d))。前者のRGOは、粒界の動きを効果的に抑制することが可能であり、粒子成長抑制の主要因となる。しかしながら、RGOの横方向のサイズはSTO粒子よりもはるかに大きく(図8)、粒界がRGOプレートレット全体を完全に包含することは非常に困難であるため、RGOが完全に粒子中に内包された後者のタイプは非常に稀で独特である。粒子内部に含まれるRGOは、すべて破片(小片)のように見えるとても小さいサイズであり(図3(c))、焼結工程中にペロブスカイト型結晶構造を有するSTOとRGOとの間で起こった反応の結果として生成したと考えられる。この反応の別な結果として、次のセクションで実証されるように、STOは酸素を失って酸素欠乏STOセラミックスになる。 Since the detailed structural information of RGO in the composite was hardly obtained by EBSD or scanning electron microscope (FIG. 11), the fine structure of RGO / STO composite 1 was measured by TEM and HRTEM as shown in FIG. Observed. The sufficiently dense and fine particle structure in the composite was reconfirmed by TEM observation (FIG. 3 (a)). In a higher-magnification bright-field image (Figure 3 (b)), it can be seen that RGO can be clearly distinguished from the surrounding STO matrix and that RGO is uniformly distributed in the composite and there is no significant aggregation. It was. Furthermore, there are two types of RGOs in the composite, those present at the grain boundaries and those contained within the particles (FIG. 3 (d)). The former RGO can effectively suppress the movement of grain boundaries, and is a main factor for suppressing grain growth. However, the lateral size of RGO is much larger than that of STO particles (Figure 8), and it is very difficult for the grain boundaries to completely encompass the entire RGO platelet, so that RGO is completely encapsulated in the particles. The latter type done is very rare and unique. The RGO contained inside the particles is a very small size that looks like debris (small pieces) (FIG. 3 (c)), and occurred between STO and RGO having a perovskite-type crystal structure during the sintering process. Probably produced as a result of the reaction. Another consequence of this reaction is that STO loses oxygen and becomes oxygen deficient STO ceramic, as demonstrated in the next section.

[RGO/STO複合体1の電気特性]
化学量論組成STOは、大きなバンドギャップ(3.2eV)のために絶縁体である。しかし、1273Kを超える高温では、STOの規則的な酸素サイト上の中性酸素(O と表記)は熱力学的に格子から脱離しやすくなり、2つの電子と共に酸素空孔が残る。
←→ V”+2e+1/2O (1)
[Electrical characteristics of RGO / STO composite 1]
The stoichiometric composition STO is an insulator due to its large band gap (3.2 eV). However, at a high temperature exceeding 1273 K, neutral oxygen (denoted as O 0 X ) on the regular oxygen site of STO tends to be desorbed thermodynamically, leaving oxygen vacancies with two electrons.
O 0 X ← → V 0 ”+ 2e + 1 / 2O 2 (1)

真空のような還元環境下では、酸素の脱離が更に促されてパルス通電加圧焼結後に僅かに導電性のあるSTOセラミックス(純粋なSTO)が得られる。定常的な性能に到達させるために測定を繰り返すと(図12)、図4(a)に示したように焼結後の純粋なSTOは室温で17.9S/mという非常に低い電気伝導率となり、電気伝導率は温度上昇とともに僅かに上昇して最終的に760Kで176S/mとなる。この手法を採用すると、電気伝導率が大幅に改善し、STO−Hの電気伝導率は室温で640S/m、570Kでは2025S/m(最大値)となり、純粋なSTOと比較して酸素空孔がかなり増加したと言える。更に驚くべきことに、いかなる追加の還元プロセスもなく、焼結しただけのRGO/STO複合体1の電気伝導率はSTO−Hよりも更に高く、室温で1633S/mの導電率を発現し、470Kでは最大値となる4669S/mとなる。 In a reducing environment such as a vacuum, the desorption of oxygen is further promoted, and a slightly conductive STO ceramic (pure STO) is obtained after pulsed current pressure sintering. When measurements are repeated to reach steady performance (FIG. 12), pure STO after sintering has a very low electrical conductivity of 17.9 S / m at room temperature as shown in FIG. 4 (a). Thus, the electrical conductivity increases slightly with increasing temperature and finally reaches 176 S / m at 760K. When this method is adopted, the electrical conductivity is greatly improved, and the electrical conductivity of STO-H is 640 S / m at room temperature and 2025 S / m (maximum value) at 570 K, and oxygen vacancies compared to pure STO. Can be said to have increased considerably. Even more surprisingly, the electrical conductivity of the as-sintered RGO / STO composite 1 without any additional reduction process is even higher than STO-H and develops a conductivity of 1633 S / m at room temperature, At 470K, the maximum value is 4669 S / m.

理論的には、電気伝導率σは下記式(2)のように表されるため、電気伝導率の向上は、キャリア移動度(μ)の増加、キャリア密度(n)の増加、又は、これら両方の増加に起因する。
σ=μne (2)
RGO/STO複合体1の電気伝導率が向上したのは、どの構成因子が最も影響したからであるのかを把握するため、ホール測定システムを用いて、純粋なSTO、STO−H、及び、RGO/STO複合体1について、室温(300K)におけるキャリア密度及び移動度を測定した。結果を下記表2に示す。なお、mは自由電子の質量を表す。
Theoretically, the electrical conductivity σ is expressed as in the following formula (2). Therefore, the improvement of the electrical conductivity is caused by an increase in carrier mobility (μ), an increase in carrier density (n), or these Due to both increases.
σ = μne (2)
The electrical conductivity of the RGO / STO composite 1 has been improved by using a Hall measurement system to determine which constituent factors have the most influence, using pure STO, STO-H, and RGO. For / STO complex 1, the carrier density and mobility at room temperature (300 K) were measured. The results are shown in Table 2 below. M 0 represents the mass of free electrons.

Figure 2018184336
Figure 2018184336

純粋なSTO(キャリア密度3.64×1018cm−3及び移動度0.29cm−1−1)に対して、STO−Hでは、還元による酸素空孔増加のためにキャリア密度(4.54×1019cm−3)及び移動度(0.49cm−1−1)の両方が増加した。更に、RGO/STO複合体1のキャリア密度(1.59×1020cm−3)は、STO−Hの約3.5倍であり、移動度(0.64cm−1−1)はSTO−Hと比較して僅かに大きい。したがって、RGO/STO複合体1の電気伝導率の向上は、移動度以上にキャリア密度の増加に起因している。純粋なSTOとRGO/STO複合体1との唯一の違いはRGOの添加であるため、これらキャリア密度及び移動度の増加は明らかにRGOと関連している。 In contrast to pure STO (carrier density 3.64 × 10 18 cm −3 and mobility 0.29 cm 2 V −1 s −1 ), in STO-H, the carrier density ( Both 4.54 × 10 19 cm −3 ) and mobility (0.49 cm 2 V −1 s −1 ) increased. Furthermore, the carrier density (1.59 × 10 20 cm −3 ) of the RGO / STO composite 1 is about 3.5 times that of STO-H, and the mobility (0.64 cm 2 V −1 s −1 ). Is slightly larger than STO-H. Therefore, the improvement in the electrical conductivity of the RGO / STO composite 1 is caused by the increase in the carrier density over the mobility. These carrier density and mobility increases are clearly associated with RGO because the only difference between pure STO and RGO / STO complex 1 is the addition of RGO.

(比較例1)
[RGO/Al複合体の調製]
実施例1と同じ方法を用いて同様の炭素含有量(0.6vol%)のRGO/Al複合体を作製した。STOとは異なり、RGO/Al複合体中に導電成分としてRGOが入っている状況下においても、Alは非常に安定した絶縁性を示しており、室温においてRGO/Al複合体は電気伝導率が僅か84.2S/m(図13)であった。また、RGO/Al複合体の、室温(300K)におけるキャリア密度及びキャリア移動度を下記表3に示す。
(Comparative Example 1)
[Preparation of RGO / Al 2 O 3 composite]
Using the same method as in Example 1, an RGO / Al 2 O 3 composite having the same carbon content (0.6 vol%) was produced. Unlike STO, Al 2 O 3 shows very stable insulation even under the condition that RGO is contained as a conductive component in the RGO / Al 2 O 3 composite, and RGO / Al 2 at room temperature. The O 3 composite had an electrical conductivity of only 84.2 S / m (FIG. 13). Table 3 below shows the carrier density and carrier mobility of the RGO / Al 2 O 3 composite at room temperature (300 K).

Figure 2018184336
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上記表3に示されるように、RGO/Al複合体はRGO/STO複合体1と同等の炭素含有量(0.6vol%)であるにも拘らず、そのキャリア密度は3.92×1018cm−3であり、RGO/STO複合体1のキャリア密度よりも2桁低かった。したがって、RGO/STO複合体1の高いキャリア密度は、RGO自体によるものではなく、ペロブスカイト型結晶構造を有する複合体中に生成する酸素空孔であると考えられる。 As shown in Table 3 above, although the RGO / Al 2 O 3 composite has the same carbon content (0.6 vol%) as the RGO / STO composite 1, its carrier density is 3.92. × 10 18 cm −3 , which was 2 digits lower than the carrier density of the RGO / STO composite 1. Therefore, it is considered that the high carrier density of the RGO / STO composite 1 is not due to RGO itself but oxygen vacancies generated in the composite having a perovskite crystal structure.

我々の推測を証明するために、電子エネルギー損失分光法(EELS)を用いて、RGO/STO複合体1及び純粋なSTOの電子構造変化を調べた。図5に示すように、純粋なSTOにおけるO−Kエッジ(edge)の微細構造は、粒子内部から粒界まで全く同一である。対照的に複合体における粒界のO−Kエッジは、高エネルギー損失部で高強度となった。これは、酸素欠乏STOについての観察結果と一致する。Ti−Lエッジは、Ti3+とTi4+の形式価数の明確な区別によって、より強い証拠を提示する。すべての酸素空孔は形式的に2つの電子を最も近接したTiのdバンドに供与することができ、酸素の数はチタンの3倍であるため、Tiの感度はOの6倍高くなる。RGO/STO複合体1では、RGOがある粒界のTi−LエッジのEELSスペクトルは、RGOのない粒子内部(炭素信号がない領域)とは明らかに異なり、RGO近傍でTi3+イオンが高濃度に存在することが確かめられた。更に、低角度環状暗視野(LAADF)信号は隣接カチオンサイトの歪みとそれに続くカチオン列からの電子ビームのデチャネリングにより、酸素空孔からの歪み場を検出することができるため、LAADF像はRGOが酸素空孔を促進させたことが示された(図14)。したがって、主にRGO近傍に濃縮された複合体中の酸素欠損量は、純粋なSTOに比べてはるかに高いと結論付けることができる。STO粒子に内包されたRGO小片を考慮すると、RGO/STO複合体1のキャリア密度が非常に高くなった理由は、複合体中のRGOが炭素源となってSTO粒子表面の酸素原子と軽度に反応することにより、STO複合体の酸素空孔形成を促進したと考えられる。この過程で、一部のRGOは粒界の移動を妨げるのに必要な大きさを失い、STO粒子によって取り囲まれる。 To prove our guess, electron energy loss spectroscopy (EELS) was used to examine the electronic structure changes of RGO / STO complex 1 and pure STO. As shown in FIG. 5, the fine structure of the OK edge in pure STO is exactly the same from the inside of the grain to the grain boundary. In contrast, the OK edge of the grain boundary in the composite became high strength at the high energy loss part. This is consistent with observations for oxygen deficient STO. The Ti-L edge presents stronger evidence by a clear distinction between the Ti 3+ and Ti 4+ formal valences. All oxygen vacancies can formally donate two electrons to the closest Ti d-band, and the number of oxygen is three times that of titanium, so the sensitivity of Ti is six times higher than that of O. In the RGO / STO composite 1, the EELS spectrum of the Ti-L edge at the grain boundary where RGO is present is clearly different from the inside of the particle without RGO (the region where there is no carbon signal), and a high concentration of Ti 3+ ions is present in the vicinity of RGO. It was confirmed to exist. Furthermore, since the low angle annular dark field (LAADF) signal can detect strain fields from oxygen vacancies by distortion of adjacent cation sites and subsequent dechanneling of the electron beam from the cation train, the LAADF image is RGO. Promoted oxygen vacancies (FIG. 14). Therefore, it can be concluded that the amount of oxygen deficiency in the complex mainly concentrated in the vicinity of RGO is much higher than that of pure STO. Considering the RGO pieces contained in the STO particles, the reason why the carrier density of the RGO / STO composite 1 is very high is that the RGO in the composite becomes a carbon source and is slightly in combination with oxygen atoms on the surface of the STO particles. It is considered that the reaction promoted the formation of oxygen vacancies in the STO complex. In this process, some RGO loses the size necessary to prevent grain boundary migration and is surrounded by STO particles.

<熱伝導率とZT値>
純粋なSTO、STO−HとRGO/STO複合体1の温度に対するゼーベック係数(Seebeck coefficient)を図4(b)に示す。純粋なSTOと比較して電気伝導度が2桁高いにも拘らず、RGO/STO複合体1のゼーベック係数は僅か16.6%しか減少していない。縮退半導体の場合、ゼーベック係数に係る2つの重要なパラメータは、決められた温度でのキャリア密度nと有効質量mであり、下記式(3)で表される。
S=(8π /3eh)mT(π/3n)2/3 (3)
上記式(3)中、kはボルツマン定数を表し、hはプランク定数を表し、eはキャリア電荷を表し、Tは絶対温度を表す。したがって、有効質量が変化しない場合、キャリア密度の増加は通常はゼーベック係数の減少をもたらす。しかし、酸素空孔の導入によりSTOの有効質量は増加して(上記表2)、ゼーベック係数の値を概ね保持することができた。その結果、RGO/STO複合体1のパワーファクターは、純粋なSTOのパワーファクターより1桁高く、図4(c)に示した通り520KでのSTO−Hのパワーファクターよりも2倍程度高い。
<Thermal conductivity and ZT value>
The Seebeck coefficient with respect to the temperature of pure STO, STO-H and RGO / STO complex 1 is shown in FIG. Despite being two orders of magnitude higher in electrical conductivity than pure STO, the Seebeck coefficient of RGO / STO composite 1 is only reduced by 16.6%. In the case of a degenerate semiconductor, two important parameters related to the Seebeck coefficient are a carrier density n and an effective mass m * at a predetermined temperature, and are represented by the following formula (3).
S = (8π 2 k B 2 / 3eh 2 ) m * T (π / 3n) 2/3 (3)
In the above formula (3), k B represents Boltzmann constant, h represents Planck's constant, e represents carrier charge, and T represents absolute temperature. Thus, if the effective mass does not change, an increase in carrier density usually results in a decrease in Seebeck coefficient. However, the effective mass of STO increased due to the introduction of oxygen vacancies (Table 2 above), and the value of the Seebeck coefficient could be generally maintained. As a result, the power factor of the RGO / STO composite 1 is an order of magnitude higher than that of pure STO and about twice as high as that of STO-H at 520K as shown in FIG.

熱拡散率(D)、比熱(Cp)、密度(d)を測定して全熱伝導率を求め、図6(a)に示した。Wiedemann−Franzの法則によって、電子熱伝導率(κe)と格子熱伝導率(κl)は区別される。
κe=σLT (4)
上記式(4)中、Lはローレンツ数(2.44×10−8/K)を表す。純粋なSTO、STO−H及びRGO/STO複合体1では、電子熱伝導率の寄与はほとんど無視できるが、一方で格子熱伝導率は重要な役割を果たすことが分かる(下記表4)。なお、下記表4では、純粋なSTO、STO−H及びRGO/STO複合体1の、760Kでの全熱伝導率κtotal、電子熱伝導率κe、及び、格子熱伝導率κlを示す。
The thermal diffusivity (D), specific heat (Cp), and density (d) were measured to determine the total thermal conductivity, which is shown in FIG. 6 (a). According to the Wiedemann-Franz law, the electronic thermal conductivity (κe) and the lattice thermal conductivity (κl) are distinguished.
κe = σLT (4)
In the above formula (4), L represents the Lorentz number (2.44 × 10 −8 V 2 / K 2 ). It can be seen that in pure STO, STO-H and RGO / STO composite 1, the contribution of electronic thermal conductivity is almost negligible, while lattice thermal conductivity plays an important role (Table 4 below). Table 4 below shows the total thermal conductivity κtotal, electronic thermal conductivity κe, and lattice thermal conductivity κl of pure STO, STO-H, and RGO / STO composite 1 at 760K.

Figure 2018184336
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純粋なSTOの格子熱伝導率κlは370Kで7.7W/mKであり、温度上昇とともに減少し、760Kで5.62W/mKとなった。STO−Hの場合、格子熱伝導率κlは純粋なSTOよりも高く、水素中での長時間の熱処理により大粒径化が進行した影響が明らかに出ている。対照的に、RGO/STO複合体1の格子熱伝導率κlは、370Kで僅か5.7W/mKであり、760Kでは3.59W/mKである。この低い格子熱伝導率κlは、RGO充填相によって高度に抑制された、純粋なSTOの20倍小さい粒子サイズによるものと考えられる。 The lattice thermal conductivity κl of pure STO was 7.7 W / mK at 370 K, decreased with increasing temperature, and reached 5.62 W / mK at 760 K. In the case of STO-H, the lattice thermal conductivity κl is higher than that of pure STO, and the effect of increasing the particle size by long-time heat treatment in hydrogen is apparent. In contrast, the RGO / STO composite 1 has a lattice thermal conductivity κl of only 5.7 W / mK at 370K and 3.59 W / mK at 760K. This low lattice thermal conductivity κl is believed to be due to a particle size 20 times smaller than that of pure STO, which is highly suppressed by the RGO packing phase.

純粋なSTO、STO−H及びRGO/STO複合体1についての無次元性能指数(ZT)の温度依存性を図6(c)に示す。RGO/STO複合体1のZT値は、純粋なSTO及びSTO−HのZT値よりも高く、室温で0.03であり、760Kでは0.09でありSTO−Hのそれより2倍以上高かった。このZTの向上は、主に3つの本実施例の作用効果に起因すると考えられる。すなわち、i)STO等の、ペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物へのRGOの組み込みは、酸素空孔の生成によって複合体の電気伝導度を大きく向上させることができる。ii)増大した導電率は、同時に電子の有効質量が増加することによってゼーベック係数を充分に維持できる。iii)RGO/STO複合体1の熱伝導率は、RGOによってもたらされた高度に抑制された粒子成長のために低下する。 The temperature dependence of the dimensionless figure of merit (ZT) for pure STO, STO-H and RGO / STO composite 1 is shown in FIG. 6 (c). The ZT value of RGO / STO complex 1 is higher than that of pure STO and STO-H, 0.03 at room temperature, 0.09 at 760K, and more than twice that of STO-H. It was. This improvement in ZT is considered to be mainly attributable to the operational effects of the three examples. That is, i) Incorporation of RGO into an oxide having a perovskite crystal structure, such as STO, can greatly improve the electrical conductivity of the composite by generating oxygen vacancies. ii) The increased conductivity can sufficiently maintain the Seebeck coefficient by simultaneously increasing the effective mass of electrons. iii) The thermal conductivity of the RGO / STO composite 1 is reduced due to the highly constrained particle growth brought about by RGO.

本発明では、酸素欠損が形成された新規なペロブスカイト型セラミックスを示した。焼結後の還元雰囲気下での熱処理の代わりに、STO粉末中に均一分散した酸化グラフェン(GO)を添加することで、放電プラズマ焼結(パルス通電加圧焼結)プロセス中にSTO内に酸素欠乏がより生じると考えられる。高温で還元されたGO(RGO)は炭素源として働いて1473Kの焼結温度でSTOをより還元させ、最終的なSTO成型体に含まれる酸素空孔及び残留グラフェン小片を増加させた。得られたRGO/酸素欠損STO複合体は、水素での長時間還元によって調製された酸素欠損STOと比較して、パワーファクターが大きく改善し、熱伝導率が抑えられ、A又はBサイトへのドーピングをしなくても760KにおいてZT値が0.09まで向上した。
また本発明は、熱電変換特性を向上させるための酸素欠乏ペロブスカイト型セラミックスを迅速でグリーンかつ効果的に製造する方法を提供するものでもある。
In the present invention, a novel perovskite ceramic with oxygen deficiency formed is shown. Instead of heat treatment in a reducing atmosphere after sintering, graphene oxide (GO) dispersed uniformly in STO powder is added to the STO during the discharge plasma sintering (pulse current pressure sintering) process. It is thought that oxygen deficiency is more likely to occur. GO reduced at high temperature (RGO) acted as a carbon source to further reduce STO at a sintering temperature of 1473 K, increasing oxygen vacancies and residual graphene fragments contained in the final STO compact. The obtained RGO / oxygen-deficient STO complex has a greatly improved power factor and reduced thermal conductivity compared to oxygen-deficient STO prepared by reduction with hydrogen for a long time, and is capable of being transferred to the A or B site. Even without doping, the ZT value improved to 0.09 at 760K.
The present invention also provides a method for quickly, greenly and effectively producing oxygen-deficient perovskite ceramics for improving thermoelectric conversion characteristics.

<酸化グラフェン(GO)コロイド溶液の調製例1>
耐食性反応器に濃硫酸(試薬特級、和光純薬工業製)28.75部と天然黒鉛(Z−25、鱗片状黒鉛、伊藤黒鉛工業製)1.00部を加えて混合液とした。混合液を撹拌しながら過マンガン酸カリウム(試薬特級、和光純薬工業製)を15分間隔で混合液中へ20回投入した。過マンガン酸カリウムの一回の投入量は0.15部であり、投入量の合計は3.00部であった。過マンガン酸カリウムの投入終了後、混合液を35℃まで昇温し液温を維持したまま2時間熟成を行って反応スラリー(酸化黒鉛含有スラリー)を得た。続いて、75.58部のイオン交換水が入った別の容器に前記の反応スラリー20.00部を撹拌下に投入し、更に30%過酸化水素水(試薬特級、和光純薬工業製)1.08部を投入した後、30分間撹拌を継続してから撹拌を停止した。撹拌停止後、1晩静置して沈殿層とから上澄み層に分離してから、上澄みを抜出した。その後、沈殿を洗浄するために抜き出した上澄みと同容量のイオン交換水を容器に加え、30分間撹拌してから、撹拌を止めて5時間以上静置してから再度上澄みを抜き出した。前記のイオン交換水を加えての洗浄と上澄みの抜出しを、上澄みのpHが2以上になるまで繰り返した。得られた沈殿層にイオン交換水を適量加えた後、ホモジナイザー処理により酸化黒鉛を分散してGOコロイド溶液A(酸化グラフェンコロイド溶液A)を得た。得られたGOコロイド溶液中のGO濃度は1.0部であった。
<Preparation Example 1 of graphene oxide (GO) colloidal solution>
Concentrated sulfuric acid (special grade, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) 28.75 parts and natural graphite (Z-25, scaly graphite, manufactured by Ito Graphite Industries Co., Ltd.) 1.00 parts were added to a corrosion resistant reactor to obtain a mixed solution. While stirring the mixed solution, potassium permanganate (special grade reagent, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was introduced 20 times into the mixed solution at 15 minute intervals. The single charge of potassium permanganate was 0.15 parts, and the total charge was 3.00 parts. After completion of the addition of potassium permanganate, the mixture was heated to 35 ° C. and aged for 2 hours while maintaining the liquid temperature to obtain a reaction slurry (slurry oxide-containing slurry). Subsequently, 20.00 parts of the reaction slurry was added to another container containing 75.58 parts of ion-exchanged water with stirring, and further 30% hydrogen peroxide solution (special grade reagent, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). After adding 1.08 parts, stirring was continued for 30 minutes and then stirring was stopped. After the stirring was stopped, the mixture was allowed to stand overnight and separated from the precipitate layer to the supernatant layer, and then the supernatant was extracted. Thereafter, ion exchange water having the same volume as the supernatant extracted to wash the precipitate was added to the container, stirred for 30 minutes, stopped stirring, allowed to stand for 5 hours or more, and then the supernatant was extracted again. The above-mentioned washing with ion-exchanged water and extraction of the supernatant were repeated until the pH of the supernatant was 2 or higher. An appropriate amount of ion-exchanged water was added to the resulting precipitate layer, and then graphite oxide was dispersed by a homogenizer treatment to obtain a GO colloid solution A (graphene oxide colloid solution A). The GO concentration in the obtained GO colloid solution was 1.0 part.

<GOコロイド溶液の調製例2>
原料の天然黒鉛を天然黒鉛(Z−5F、鱗片状黒鉛、伊藤黒鉛工業製)に変更した以外は、調整例1に記載の方法と同様にして、GOコロイド溶液B(酸化グラフェンコロイド溶液B)を得た。得られたGOコロイド溶液中のGO濃度は1.1部であった。
<Preparation Example 2 of GO Colloid Solution>
GO colloid solution B (graphene oxide colloid solution B) in the same manner as described in Preparation Example 1 except that natural graphite as a raw material was changed to natural graphite (Z-5F, scale-like graphite, manufactured by Ito Graphite Industries). Got. The GO concentration in the obtained GO colloid solution was 1.1 parts.

[STOの表面改質(2)]
原料のチタン酸ストロンチウム(STO)粉末(シグマアルドリッチ社製、純度99.0%、平均粒子径100nm)と3−アミノプロピルトリメトキシシラン(シグマアルドリッチ社製、純度97.0%)をトルエン(和光一級、和光純薬工業社製)に加えた。次に、混合液温度が380Kとなるまで加熱し、還流させながらN雰囲気下で6時間保持した。生成物を、イソプロピルアルコール(試薬特級、和光純薬工業社製)、純水、エタノール(試薬特級、和光純薬工業社製)の順で洗浄し、卓上遠心機(コクサン社製、H−36α)を用いて回転数5000rpmで5分間遠心分離し回収した。回収後、333Kで真空乾燥させ、表面修飾されたSTO(改質STO)を得た。
[STO surface modification (2)]
Strontium titanate (STO) powder (manufactured by Sigma-Aldrich, purity 99.0%, average particle size 100 nm) and 3-aminopropyltrimethoxysilane (Sigma-Aldrich, purity 97.0%) as toluene (Wako) First grade, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.). Next, the mixture was heated to a temperature of 380 K and maintained for 6 hours under a N 2 atmosphere while refluxing. The product was washed with isopropyl alcohol (reagent special grade, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.), pure water, ethanol (reagent special grade, manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in this order, and a tabletop centrifuge (manufactured by Kokusan Co., Ltd., H-36α). ) And centrifuged at 5000 rpm for 5 minutes and collected. After collection, vacuum drying was performed at 333 K to obtain a surface-modified STO (modified STO).

(実施例2)
<RGO/STO複合体2の調製>
改質STO(2.4g)を純水(500ml)に加え、35%塩酸(精密分析用、関東化学社製)滴下と超音波処理を数回繰り返してpHを3.3に調整し、STOコロイド溶液を得た。得られたSTOコロイド溶液を撹拌しながら、調整例1で得られたGOコロイド溶液Aを滴下した。STOとGOの合計100部に対してGOコロイド溶液中のGOが1.0部となるよう滴下した。得られた混合物は卓上遠心機を用いて回転数5000rpmで5分間遠心分離し回収した。回収後、333Kで真空乾燥し、GO/STO混合粉末を得た。
(Example 2)
<Preparation of RGO / STO complex 2>
Modified STO (2.4 g) was added to pure water (500 ml), and 35% hydrochloric acid (for precision analysis, manufactured by Kanto Chemical Co., Inc.) was added dropwise and sonicated several times to adjust the pH to 3.3. A colloidal solution was obtained. The GO colloid solution A obtained in Preparation Example 1 was added dropwise while stirring the obtained STO colloid solution. The GO in the GO colloid solution was added dropwise to 100 parts of STO and GO in a total of 1.0 parts. The resulting mixture was collected by centrifugation at 5000 rpm for 5 minutes using a tabletop centrifuge. After the collection, vacuum drying was performed at 333 K to obtain a GO / STO mixed powder.

GO/STO混合粉末を、真空雰囲気中60Mpaの圧力をかけながら、グラファイトダイを用いてパルス通電加圧焼結装置(放電プラズマ焼結装置)(シンターランド社製、LABOXTM−125C)を用いて100K/分の昇温速度で室温から1623Kまで制御し、1623Kで5分間保持することにより焼成して緻密化した。焼結中にGOはRGOへ還元され、最終的に直径10mm、厚さ2mmのRGO/STO複合体2の円板(ペレット)を得た。 While applying a pressure of 60 Mpa in a vacuum atmosphere to the GO / STO mixed powder, using a graphite die, a pulse energization pressure sintering apparatus (discharge plasma sintering apparatus) (manufactured by Sinterland, LABBOX TM- 125C) The temperature was controlled from room temperature to 1623 K at a temperature increase rate of 100 K / min, and the mixture was fired and densified by holding at 1623 K for 5 minutes. During sintering, GO was reduced to RGO, and finally, a disc (pellet) of RGO / STO composite 2 having a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm was obtained.

(実施例3)
<RGO/STO複合体3の調製>
滴下するGOコロイド溶液量を、GOコロイド溶液中のGOがSTOとGOの合計100部に対して2.0部になるよう変更する以外は実施例2に記載の方法で直径10mm、厚さ2mmのRGO/STO複合体3の円板を作製した。
Example 3
<Preparation of RGO / STO complex 3>
Except for changing the amount of the colloidal GO colloid solution so that the GO in the GO colloid solution becomes 2.0 parts with respect to the total of 100 parts of STO and GO, the diameter is 10 mm and the thickness is 2 mm by the method described in Example 2. A disc of RGO / STO composite 3 was prepared.

(実施例4)
<RGO/STO複合体4の調製>
滴下するGOコロイド溶液量を、GOコロイド溶液中のGOがSTOとGOの合計100部に対して3.0部になるよう変更する以外は実施例2に記載の方法で直径10mm、厚さ2mmのRGO/STO複合体4の円板を作製した。
(Example 4)
<Preparation of RGO / STO complex 4>
The diameter of the colloidal solution to be dropped is changed so that the GO in the colloidal GO solution is 3.0 parts with respect to the total of 100 parts of STO and GO. A disc of RGO / STO composite 4 was prepared.

(実施例5)
<RGO/STO複合体5の調製>
滴下するGOコロイド溶液を調製例2で調整したGOコロイド溶液Bに変更し、且つ、滴下するGOコロイド溶液量を、GOコロイド溶液中のGOがSTOとGOの合計100部に対して2.0部になるよう変更する以外は実施例2に記載の方法で直径10mm、厚さ2mmのRGO/STO複合体5の円板を作製した。
(Example 5)
<Preparation of RGO / STO complex 5>
The GO colloid solution to be dropped is changed to the GO colloid solution B prepared in Preparation Example 2, and the amount of the GO colloid solution to be dropped is set to 2.0 with respect to a total of 100 parts of STO and GO. A disc of RGO / STO composite 5 having a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm was prepared by the method described in Example 2 except that the part was changed to be part.

(比較例2)
STO粉末(シグマアルドリッチ社製、純度99.0%、平均粒子径100nm)を、真空雰囲気中60Mpaの圧力をかけながら、グラファイトダイを用いてパルス通電加圧焼結装置(放電プラズマ焼結装置)を用いて100K/分の昇温速度で室温から1623Kまで制御し、1623Kで5分間保持することにより焼成して緻密化し、最終的に直径10mm、厚さ2mmの純粋なSTOの円板を得た。
(Comparative Example 2)
STO powder (manufactured by Sigma-Aldrich, purity 99.0%, average particle size 100 nm) is applied with a pulsed current pressure sintering device (discharge plasma sintering device) using a graphite die while applying a pressure of 60 Mpa in a vacuum atmosphere. The temperature is controlled from room temperature to 1623K with a temperature rising rate of 100K / min., And it is fired and densified by holding at 1623K for 5 minutes. Finally, a pure STO disk having a diameter of 10 mm and a thickness of 2 mm is obtained. It was.

<RGO/STO複合体中の炭素含有量測定>
実施例に記載の炭素・硫黄分析装置(844シリーズ、LECO社製)を用いて実施例2〜5で作製したRGO/STO複合体2〜5中の炭素量を測定した。3回測定を行い、その平均値を炭素含有量とした。結果を表5に示す。
<Measurement of carbon content in RGO / STO composite>
The carbon amount in the RGO / STO composites 2 to 5 produced in Examples 2 to 5 was measured using the carbon / sulfur analyzer described in the examples (844 series, manufactured by LECO). The measurement was performed three times, and the average value was defined as the carbon content. The results are shown in Table 5.

Figure 2018184336
Figure 2018184336

<硬度測定>
セミビッカース硬度計(HSV−20、島津製作所製)を用いて実施例2〜5で作製したRGO/STO複合体2〜5及び比較例2で作製した純水なSTOのビッカース硬度を測定した。RGO/STO複合体の硬度測定時の試験荷重、荷重保持時間は、9.8N、5sとし、純粋なSTOの硬度測定時の試験荷重、荷重保持時間は、9.8N、30sとした。結果を表6に示す。
<Hardness measurement>
Using a semi-Vickers hardness tester (HSV-20, manufactured by Shimadzu Corp.), the Vickers hardness of the RGO / STO composites 2-5 prepared in Examples 2-5 and the pure water STO prepared in Comparative Example 2 was measured. The test load and load holding time when measuring the hardness of the RGO / STO composite were 9.8 N and 5 s, and the test load and load holding time when measuring the hardness of pure STO were 9.8 N and 30 s. The results are shown in Table 6.

Figure 2018184336
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RGO/STO複合体2〜5は純粋なSTOと比較し硬度が向上していることを確認した。 The RGO / STO composites 2 to 5 were confirmed to have improved hardness as compared with pure STO.

<摩擦係数・耐摩耗性測定>
静・動摩擦測定機(TL201Ts、トリニティーラボ社製)を用いて実施例2〜5で作製したRGO/STO複合体2〜5及び比較例2で作製した純粋なSTOの摩擦係数および耐摩耗性を評価した。結果を表7および図15に示す。
条件:摺動距離10mm、摺動速度5mm/s、荷重400g、摺動回数30往復、接触子SUJ製φ6mm球
<Friction coefficient and wear resistance measurement>
The friction coefficient and wear resistance of the RGO / STO composites 2 to 5 produced in Examples 2 to 5 and the pure STO produced in Comparative Example 2 were measured using a static and dynamic friction measuring machine (TL201Ts, manufactured by Trinity Labs). evaluated. The results are shown in Table 7 and FIG.
Conditions: sliding distance 10 mm, sliding speed 5 mm / s, load 400 g, number of sliding times 30 reciprocations, contactor SUJ φ6 mm ball

Figure 2018184336
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RGO/STO複合体2〜5は純粋なSTOと比較し摩擦係数が小さく、また摺動回数を重ねても摩擦係数の増加が小さいことがわかる。このことからRGO/STO複合体2〜5は耐摩耗性が向上していることを確認した。 It can be seen that the RGO / STO composites 2 to 5 have a smaller coefficient of friction than pure STO, and the increase in the coefficient of friction is small even after repeated sliding. From this, it was confirmed that the RGO / STO composites 2 to 5 have improved wear resistance.

<ラマン分光分析>
顕微ラマン(NRS−3100、日本分光社製)を用いて実施例2〜5で作製したRGO/STO複合体2〜5及び比較例2で作製した純粋なSTOの炭素(RGO)成分の存在を確認した。結果を図16〜図20に示す。炭素の有無はGバンド(1600cm−1付近のピーク)とDバンド(1350cm−1付近のピーク)、G’バンド(2700cm−1付近のピーク)が存在するか否かで判断した。
条件:532nmレーザー使用、対物レンズ20倍、CCD取り込み時間1秒、積算64回(分解能=4cm−1
<Raman spectroscopy>
Presence of the carbon (RGO) component of the RGO / STO composites 2-5 prepared in Examples 2-5 and the pure STO prepared in Comparative Example 2 using micro Raman (NRS-3100, manufactured by JASCO Corporation) confirmed. The results are shown in FIGS. Presence of carbon was determined by whether the G band (peak around 1600 cm -1) and D-band (peak near 1350 cm -1), G 'band (peak near 2700 cm -1) is present.
Conditions: Use of 532 nm laser, objective lens 20 times, CCD capture time 1 second, total 64 times (resolution = 4 cm −1 )

RGO/STO複合体2〜5は炭素(RGO)に由来する各ピークの存在が確認できることから、セラミック中にRGOが存在していることがわかる。純粋なSTOでは炭素成分は確認できなかった。 In RGO / STO composites 2-5, the presence of each peak derived from carbon (RGO) can be confirmed, indicating that RGO is present in the ceramic. No carbon component could be confirmed with pure STO.

Claims (9)

下記一般式(1):
ABO3±δ (1)
(式(1)中、A及びBは、ペロブスカイト型結晶構造を形成できる元素を表し、少なくとも一方は金属元素であり、δは、酸素欠損量を表し、0以上、1以下の数である。)で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物と、炭素材料との複合体セラミックス。
The following general formula (1):
ABO 3 ± δ (1)
(In the formula (1), A and B represent an element capable of forming a perovskite crystal structure, at least one is a metal element, and δ represents an oxygen deficiency and is a number of 0 or more and 1 or less. ) And a composite ceramic of a carbon material and an oxide having a perovskite crystal structure.
前記式(1)中、Aは、アルカリ土類金属元素又は希土類金属元素を表すことを特徴とする請求項1に記載の複合体セラミックス。 In said Formula (1), A represents an alkaline-earth metal element or a rare earth metal element, The composite ceramics of Claim 1 characterized by the above-mentioned. 前記式(1)中、Bは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、又は、Wを表すことを特徴とする請求項1又は2に記載の複合体セラミックス。 In said Formula (1), B represents Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, or W, The claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. The composite ceramic described. 前記複合体セラミックスは、炭素含有量が5体積%以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の複合体セラミックス。 The composite ceramic according to claim 1, wherein the composite ceramic has a carbon content of 5% by volume or less. 前記複合体セラミックスは、ラマン分光測定による2Dバンドのピーク強度I(2D)とGバンドのピーク強度I(G)の比I(2D)/I(G)が0.1以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の複合体セラミックス。 The composite ceramic is characterized in that the ratio I (2D) / I (G) of the peak intensity I (2D) of the 2D band and the peak intensity I (G) of the G band measured by Raman spectroscopy is 0.1 or more. The composite ceramic according to any one of claims 1 to 4. 前記複合体セラミックス中の酸化物の平均粒子径が10μm以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の複合体セラミックス。 The composite ceramic according to any one of claims 1 to 5, wherein an average particle diameter of an oxide in the composite ceramic is 10 µm or less. 前記炭素材料は、酸化黒鉛であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の複合体セラミックス。 The composite ceramic according to claim 1, wherein the carbon material is graphite oxide. 前記複合体セラミックスは、熱電変換材料として用いられることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の複合体セラミックス。 The composite ceramic according to claim 1, wherein the composite ceramic is used as a thermoelectric conversion material. 複合体セラミックスを製造する方法であって、
該製造方法は、下記一般式(1):
ABO3±δ (1)
(式(1)中、A及びBは、ペロブスカイト型結晶構造を形成できる元素を表し、少なくとも一方は金属元素であり、δは、酸素欠損量を表し、0以上、1以下の数である。)で表されるペロブスカイト型結晶構造を有する酸化物と、炭素材料とを、パルス通電加圧焼結法で焼結する工程を含むことを特徴とする複合体セラミックスの製造方法。
A method for producing a composite ceramic, comprising:
The production method comprises the following general formula (1):
ABO 3 ± δ (1)
(In the formula (1), A and B represent an element capable of forming a perovskite crystal structure, at least one is a metal element, and δ represents an oxygen deficiency and is a number of 0 or more and 1 or less. A method for producing a composite ceramic, comprising a step of sintering an oxide having a perovskite type crystal structure represented by the above and a carbon material by a pulse current pressure sintering method.
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