JP2021097177A - Thermoelectric element and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱電素子及びその製造方法、特に、Mg2Si系熱電素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a thermoelectric element and a method for manufacturing the same, and more particularly to an Mg 2 Si based thermoelectric element and a method for manufacturing the same.
従来より、マグネシウムシリサイド(Mg2Si)に各種ドーパントを含有させることで熱電特性を向上させたMg2Si系熱電材料が知られており、このようなMg2Si系熱電材料を使用した熱電素子は、比較的高い熱電性能(発電性能)を有することが知られている。 Conventionally, Mg 2 Si-based thermoelectric materials having improved thermoelectric characteristics by containing various dopants in magnesium VDD (Mg 2 Si) have been known, and thermoelectric elements using such Mg 2 Si-based thermoelectric materials have been known. Is known to have relatively high thermoelectric performance (power generation performance).
しかしながら、従来のMg2Si系熱電素子は、発電用途、すなわち、素子両端に温度差を与えた状態で長時間していると、その熱電特性が徐々に劣化していくことが知られており、充分な熱耐久性を有していなかった。 However, it is known that the conventional Mg 2 Si thermoelectric element gradually deteriorates in its thermoelectric characteristics when it is used for power generation, that is, when it is used for a long time with a temperature difference applied to both ends of the element. , Did not have sufficient thermal durability.
なお、特開2011−29632号公報には、866Kにおける無次元性能指数が0.665以上であり、実質的にドーパントを含まないマグネシウム−ケイ素複合材料、及び、ドーパントを原子量比で0.10〜2.00at%含有するマグネシウム−ケイ素複合材料が開示されており、ドーパントとしてSbを含む場合、高温における耐久性に優れた熱電変換材料を得ることができることが記載されている。 In Japanese Patent Application Laid-Open No. 2011-29632, a magnesium-silicon composite material having a dimensionless performance index of 0.665 or more at 866K and substantially containing no dopant, and a dopant having an atomic weight ratio of 0.10 to 0 A magnesium-silicon composite material containing 2.00 at% is disclosed, and it is described that when Sb is contained as a dopant, a thermoelectric conversion material having excellent durability at high temperatures can be obtained.
本発明の目的は、高い熱電性能を有すると共に、高い熱安定性を有するMg2Si系熱電素子及びその製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an Mg 2 Si thermoelectric element having high thermoelectric performance and high thermal stability, and a method for manufacturing the same.
本発明に係る熱電素子は、マグネシウムシリサイドで構成される熱電素子であって、添加元素としてホウ素を含有しており、前記ホウ素は、分散して存在していることを特徴とする。 The thermoelectric element according to the present invention is a thermoelectric element composed of magnesium silicide, and contains boron as an additive element, and the boron is dispersed and exists.
この場合において、前記ホウ素は、マグネシウムシリサイドの粒界領域に存在しているようにしてもよい。 In this case, the boron may be present in the grain boundary region of magnesium silicide.
また、以上の場合において、前記ホウ素の周囲には、マグネシウムとホウ素の化合物が形成されているようにしてもよい。 Further, in the above case, a compound of magnesium and boron may be formed around the boron.
本発明に係る熱電素子の製造方法は、Mg2Si系熱電材料の合成に使用される原料に、添加元素としてホウ素を添加するホウ素添加工程と、前記ホウ素添加工程でホウ素が添加された原料に対して熱処理を行って、Mg2Si系熱電材料を合成する合成工程と、前記合成工程で合成されたMg2Si系熱電材料を焼結する焼結工程とを備えたことを特徴とする。 The method for producing a thermoelectric element according to the present invention includes a boron addition step of adding boron as an additive element to a raw material used for synthesizing an Mg 2 Si thermoelectric material, and a raw material to which boron is added in the boron addition step. On the other hand, it is characterized by including a synthesis step of synthesizing an Mg 2 Si thermoelectric material by performing heat treatment and a sintering step of sintering the Mg 2 Si thermoelectric material synthesized in the synthesis step.
この場合において、前記原料は、マグネシウム及びケイ素であるようにしてもよい。 In this case, the raw materials may be magnesium and silicon.
また、本発明に係る別の熱電素子の製造方法は、Mg2Si系熱電材料を合成する合成工程と、前記合成工程で合成されたMg2Si系熱電材料に、添加元素としてホウ素を添加するホウ素添加工程と、前記ホウ素添加工程でホウ素が添加されたMg2Si系熱電材料を焼結する焼結工程とを備えたことを特徴とする。 Also, another method for manufacturing a thermoelectric device according to the present invention comprises a synthesis step of synthesizing Mg 2 Si-based thermoelectric material, the Mg 2 Si based thermoelectric materials synthesized in the synthesizing step, adding boron as an additive element It is characterized by including a boron addition step and a sintering step of sintering an Mg 2 Si thermoelectric material to which boron has been added in the boron addition step.
以上の場合において、Mg2Si系熱電材料の合成に使用される原料を加圧成形する成形工程を更に備え、前記合成工程は、前記成形工程で成形された合成用成形体に対して熱処理を行って、Mg2Si系熱電材料を合成するようにしてもよい。 In the above case, a molding step of pressure molding the raw material used for synthesizing the Mg 2 Si thermoelectric material is further provided, and the synthesis step heat-treats the synthetic molded product molded in the molding step. This may be carried out to synthesize an Mg 2 Si based thermoelectric material.
また、本発明に係る更に別の熱電素子の製造方法は、Mg2Si系熱電材料を用意する工程と、前記Mg2Si系熱電材料に添加元素としてホウ素を添加するホウ素添加工程と、前記ホウ素添加工程でホウ素が添加されたMg2Si系熱電材料を焼結する焼結工程とを備えたことを特徴とする。 The manufacturing method of yet another thermoelectric element according to the present invention includes the steps of preparing a Mg 2 Si-based thermoelectric material, and boron added step of adding boron as an additional element to the Mg 2 Si based thermoelectric material, the boron It is characterized by including a sintering step of sintering an Mg 2 Si thermoelectric material to which boron is added in the addition step.
以上の場合において、前記ホウ素添加工程は、予め決められた量のマグネシウムシリサイドに対して、0.25at%以上のホウ素を添加するようにしてもよい。 In the above case, in the boron addition step, 0.25 at% or more of boron may be added to a predetermined amount of magnesium silicide.
本発明によれば、高い熱電性能を有すると共に、高い熱安定性を有する熱電素子を提供することが可能となる。 According to the present invention, it is possible to provide a thermoelectric element having high thermoelectric performance and high thermal stability.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
本発明による熱電素子の製造方法は、Mg2Si系熱電素子を製造するものであって、Mg2Si系熱電材料の焼結前に、添加元素としてホウ素(B)を添加するものである。 The method for manufacturing a thermoelectric element according to the present invention is for manufacturing an Mg 2 Si thermoelectric element, in which boron (B) is added as an additive element before sintering of the Mg 2 Si thermoelectric material.
以下では、本発明による熱電素子の製造方法の実施形態として、ホウ素を添加するタイミングが異なる2つの場合について説明する。すなわち、Mg2Si系熱電材料を合成する工程の前に添加するもの(第一実施形態)と、Mg2Si系熱電材料を合成する工程の後(、かつ、焼結工程前)に添加するもの(第二実施形態)について説明する。 Hereinafter, as an embodiment of the method for manufacturing a thermoelectric element according to the present invention, two cases where the timing of adding boron is different will be described. That is, it is added before the step of synthesizing the Mg 2 Si thermoelectric material (first embodiment) and after the step of synthesizing the Mg 2 Si thermoelectric material (and before the sintering step). The thing (second embodiment) will be described.
《第一実施形態》
図1は、本発明の第一実施形態による熱電素子の製造方法を説明するための図である。本実施形態においては、最初の秤量工程において、添加元素としてのホウ素の添加が行われる。
<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a diagram for explaining a method for manufacturing a thermoelectric element according to the first embodiment of the present invention. In the present embodiment, boron as an additive element is added in the first weighing step.
同図に示すように、まず、原料の秤量を行う(S1)。例えば、主原料となるマグネシウム(Mg)粉末及びケイ素(Si)粉末と、添加元素としてのホウ素(B)粉末の秤量を行う。この際、一定量のマグネシウムシリサイド(Mg2Si)に対して、ホウ素の量が予め決められた量(例えば、0.25at%以上)となるように、秤量を行う。なお、この際、製造過程での蒸発分を考慮して、マグネシウムを過剰に仕込むようにしてもよい。 As shown in the figure, first, the raw materials are weighed (S1). For example, magnesium (Mg) powder and silicon (Si) powder, which are the main raw materials, and boron (B) powder, which is an additive element, are weighed. At this time, weighing is performed so that the amount of boron is a predetermined amount (for example, 0.25 at% or more) with respect to a certain amount of magnesium silicide (Mg 2 Si). At this time, magnesium may be excessively charged in consideration of the amount of evaporation in the manufacturing process.
次に、秤量工程S1において秤量された原料粉末が均一になるように、原料粉末の混合を行う(S2)。例えば、混合機等を使用して、原料粉末の混合を行う。 Next, the raw material powders are mixed so that the raw material powders weighed in the weighing step S1 become uniform (S2). For example, the raw material powder is mixed using a mixer or the like.
次に、混合工程S2で均一に混合された原料粉末を加圧成形することで合成用成形体を作製する(S3)。例えば、適当な面圧(例えば、20MPa程度)で冷間一軸プレス加工を行うことで、合成用成形体を作製する。 Next, a synthetic molded product is produced by pressure molding the raw material powder uniformly mixed in the mixing step S2 (S3). For example, a molded product for synthesis is produced by performing cold uniaxial press working at an appropriate surface pressure (for example, about 20 MPa).
次に、成形工程S3で作製された合成用成形体に対して熱処理を行うことで、Mg2Si系熱電材料を合成する(S4)。例えば、合成用成形体を半密閉可能な容器(例えば、炭素製容器)内に収容した上で、電気炉内に入れて、アルゴン(Ar)雰囲気中、650℃〜800℃(例えば、700℃)の温度に1〜4時間程度保持することで、Mg2Si系熱電材料を合成する。 Next, the Mg 2 Si thermoelectric material is synthesized by heat-treating the synthetic molded product produced in the molding step S3 (S4). For example, the synthetic molded product is housed in a semi-sealable container (for example, a carbon container) and then placed in an electric furnace in an argon (Ar) atmosphere at 650 ° C to 800 ° C (for example, 700 ° C). ) Is kept at the temperature of 1 to 4 hours to synthesize Mg 2 Si thermoelectric material.
次に、合成工程S4で合成されたMg2Si系熱電材料を粉砕する(S5)。例えば、自動乳鉢やボールミル等によって、所望の粒径(例えば、38μm以下)になるように粉砕する。 Next, the Mg 2 Si thermoelectric material synthesized in the synthesis step S4 is pulverized (S5). For example, it is crushed to a desired particle size (for example, 38 μm or less) by an automatic mortar, a ball mill, or the like.
次に、粉砕工程S5で粉砕されたMg2Si系熱電材料の焼結を行う(S6)。例えば、放電プラズマ焼結法(SPS)による加圧焼結を行う。 Next, the Mg 2 Si thermoelectric material crushed in the crushing step S5 is sintered (S6). For example, pressure sintering is performed by the discharge plasma sintering method (SPS).
以上のような工程S1〜S6を経て製造された熱電素子は、必要に応じて、所望の形状に加工されて使用されることになる。 The thermoelectric element manufactured through the above steps S1 to S6 is processed into a desired shape and used as needed.
《第二実施形態》
図2は、本発明の第二実施形態による熱電素子の製造方法を説明するための図である。本実施形態においては、Mg2Si系熱電材料の合成後の工程において、添加元素としてのホウ素の添加が行われる。
<< Second Embodiment >>
FIG. 2 is a diagram for explaining a method for manufacturing a thermoelectric element according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, boron as an additive element is added in the step after the synthesis of the Mg 2 Si thermoelectric material.
同図に示すように、まず、原料の秤量を行う(S11)。例えば、原料となるマグネシウム(Mg)粉末と、ケイ素(Si)粉末の秤量を行う。なお、この際、製造過程での蒸発分を考慮して、マグネシウムを過剰に仕込むようにしてもよい。 As shown in the figure, first, the raw materials are weighed (S11). For example, magnesium (Mg) powder and silicon (Si) powder, which are raw materials, are weighed. At this time, magnesium may be excessively charged in consideration of the amount of evaporation in the manufacturing process.
次に、秤量工程S11において秤量された原料粉末が均一になるように、原料粉末の混合を行う(S12)。例えば、混合機等を使用して、原料粉末の混合を行う。 Next, the raw material powders are mixed so that the raw material powders weighed in the weighing step S11 are uniform (S12). For example, the raw material powder is mixed using a mixer or the like.
次に、混合工程S12で均一に混合された原料粉末を加圧成形することで合成用成形体を作製する(S13)。例えば、適当な面圧(例えば、20MPa程度)で冷間一軸プレス加工を行うことで、合成用成形体を作製する。 Next, a synthetic molded product is produced by pressure molding the raw material powder uniformly mixed in the mixing step S12 (S13). For example, a molded product for synthesis is produced by performing cold uniaxial press working at an appropriate surface pressure (for example, about 20 MPa).
次に、成形工程S13で作製された合成用成形体に対して熱処理を行うことで、Mg2Si系熱電材料を合成する(S14)。例えば、合成用成形体を半密閉可能な容器(例えば、炭素製容器)内に収容した上で、電気炉内に入れて、アルゴン(Ar)雰囲気中、650℃〜800℃(例えば、700℃)の温度に1〜4時間程度保持することで、Mg2Si系熱電材料を合成する。 Next, the Mg 2 Si thermoelectric material is synthesized by heat-treating the synthetic molded product produced in the molding step S13 (S14). For example, the synthetic molded product is housed in a semi-sealable container (for example, a carbon container) and then placed in an electric furnace in an argon (Ar) atmosphere at 650 ° C. to 800 ° C. (for example, 700 ° C.). ) Is kept at the temperature of 1 to 4 hours to synthesize Mg 2 Si thermoelectric material.
次に、合成工程S14で合成されたMg2Si系熱電材料を粉砕する(S15)。例えば、自動乳鉢やボールミル等によって、所望の粒径(例えば、38μm以下)になるように粉砕する。 Next, the Mg 2 Si thermoelectric material synthesized in the synthesis step S14 is pulverized (S15). For example, it is crushed to a desired particle size (for example, 38 μm or less) by an automatic mortar, a ball mill, or the like.
次に、粉砕工程S15で粉砕されたMg2Si系熱電材料に、添加元素としてホウ素(B)を添加する(S16)。例えば、粉砕されたMg2Si系熱電材料、及び、添加元素としてのホウ素粉末の秤量を行い、一定量のMg2Si系熱電材料に対して、予め決められた量(例えば、0.25at%以上)のホウ素が添加されるようにする。 Next, boron (B) is added as an additive element to the Mg 2 Si thermoelectric material pulverized in the pulverization step S15 (S16). For example, the crushed Mg 2 Si thermoelectric material and boron powder as an additive element are weighed, and a predetermined amount (for example, 0.25 at%) is applied to a fixed amount of Mg 2 Si thermoelectric material. The above) boron is added.
次に、ホウ素添加工程S16でホウ素が添加されたMg2Si系熱電材料粉末が均一になるように、ホウ素が添加されたMg2Si系熱電材料粉末の混合を行う(S17)。例えば、混合機等を使用して、ホウ素が添加されたMg2Si系熱電材料粉末の混合を行う。 Next, the Mg 2 Si thermoelectric material powder to which boron is added is mixed so that the Mg 2 Si thermoelectric material powder to which boron is added becomes uniform in the boron addition step S16 (S17). For example, a mixer or the like is used to mix the Mg 2 Si thermoelectric material powder to which boron has been added.
次に、混合工程S17で均一に混合されたMg2Si系熱電材料の焼結を行う(S18)。例えば、放電プラズマ焼結法(SPS)による加圧焼結を行う。 Next, the Mg 2 Si thermoelectric material uniformly mixed in the mixing step S17 is sintered (S18). For example, pressure sintering is performed by the discharge plasma sintering method (SPS).
以上のような工程S11〜S18を経て製造された熱電素子は、必要に応じて、所望の形状に加工されて使用されることになる。 The thermoelectric element manufactured through the above steps S11 to S18 is processed into a desired shape and used as needed.
上述した熱電素子の製造方法においては、Mg2Si系熱電材料の焼結前、より具体的には、Mg2Si系熱電材料の合成前、又は、Mg2Si系熱電材料の合成後(、かつ、焼結前)に、添加元素としてホウ素を添加することで、高い熱電性能を有すると共に、高い熱安定性を有する熱電素子が得られるようにしている。 In the production method of the above-mentioned thermoelectric elements, before sintering of the Mg 2 Si based thermoelectric material, more specifically, before the synthesis of the Mg 2 Si based thermoelectric material, or after synthesis of the Mg 2 Si based thermoelectric material (, Moreover, by adding boron as an additive element before sintering), a thermoelectric element having high thermoelectric performance and high thermal stability can be obtained.
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、当然のことながら、本発明の実施形態は上記のものに限られない。例えば、上述した実施形態においては、原料からMg2Si系熱電材料を合成するようにしていたが、別途用意されたMg2Si系熱電材料に対して、添加元素としてホウ素を添加し、ホウ素が添加されたMg2Si系熱電材料を焼結するようにすることも考えられる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, as a matter of course, the embodiments of the present invention are not limited to those described above. For example, in the above-described embodiment, the Mg 2 Si thermoelectric material is synthesized from the raw material, but boron is added as an additive element to the separately prepared Mg 2 Si thermoelectric material to generate boron. It is also conceivable to sinter the added Mg 2 Si thermoelectric material.
次に、本発明による熱電素子の製造方法の実施例について説明する。 Next, an example of the method for manufacturing a thermoelectric element according to the present invention will be described.
まず、以下のようにして、添加元素としてホウ素が添加されたマグネシウムシリサイドで構成される熱電素子を、添加するホウ素の量、及び、添加するタイミングを変えて、複数種作製した。 First, as described below, a plurality of types of thermoelectric elements composed of magnesium silicide to which boron was added as an additive element were produced by changing the amount of boron to be added and the timing of addition.
《実施例1》
まず、化学量論比が(Mg2.02Si1)B0.25となるように、純度99.5%、粒径180μmのマグネシウム(Mg)粉末(株式会社高純度化学研究所製)、純度99.9%、粒径150μmのケイ素(Si)粉末(株式会社高純度化学研究所製)、及び、純度99%、粒径45μmのホウ素(B)粉末(株式会社高純度化学研究所製)の秤量を行った。すなわち、一定量(30g)のMg2.02Si1に対して、ホウ素(B)が0.25at%含まれるように秤量を行った。具体的には、マグネシウム粉末が19.083g、ケイ素粉末が10.916g、ホウ素粉末が0.011gとなるように秤量した。なお、ここでは、製造過程での蒸発分を考慮して、マグネシウムを過剰に仕込むようにしている(以下の各例においても同様)。
<< Example 1 >>
First, magnesium (Mg) powder with a purity of 99.5% and a particle size of 180 μm (manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd.) has a purity of 99.9 so that the chemical ratio is (Mg 2.02 Si 1 ) B 0.25. %, Silicon (Si) powder with a particle size of 150 μm (manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd.) and boron (B) powder with a purity of 99% and particle size 45 μm (manufactured by High Purity Chemical Laboratory Co., Ltd.) are weighed. went. That is, weighing was performed so that 0.25 at% of boron (B) was contained in a fixed amount (30 g) of Mg 2.02 Si 1. Specifically, the magnesium powder weighed 19.083 g, the silicon powder weighed 10.916 g, and the boron powder weighed 0.011 g. Here, in consideration of the amount of evaporation in the manufacturing process, magnesium is excessively charged (the same applies to each of the following examples).
次に、原料粉末が均一になるように乳鉢内で混合した上で、原料粉末を30φの超鋼ダイス内に収容し、プレス機(エヌピーエーシステム株式会社製、NT−50H)によって、20MPaの圧力でプレス加工を行い、30φ×5mmの円柱状の合成用成形体を得た。 Next, after mixing the raw material powder in a mortar so that the raw material powder becomes uniform, the raw material powder is housed in a 30φ super steel die, and the pressure is 20 MPa by a press machine (NT-50H manufactured by NPA System Co., Ltd.). Pressing was performed with pressure to obtain a cylindrical synthetic molded product having a size of 30φ × 5 mm.
次に、得られた合成用成形体を、半密閉可能な蓋付き炭素製容器内に収容した上で、電気炉内に入れ、アルゴン雰囲気中、温度700℃にて1時間、熱処理を行い、Mg2Si系熱電材料の団粒体を得た。 Next, the obtained synthetic molded material was housed in a semi-sealable carbon container with a lid, placed in an electric furnace, and heat-treated in an argon atmosphere at a temperature of 700 ° C. for 1 hour. Aggregates of Mg 2 Si thermoelectric material were obtained.
次に、得られた団粒体を、乳鉢で1mm以下に粗粉砕した上で、自動乳鉢によって、粒径38μm以下となるように微粉砕を行った。 Next, the obtained aggregates were roughly pulverized in a mortar to 1 mm or less, and then finely pulverized in an automatic mortar so that the particle size was 38 μm or less.
次に、得られたMg2Si系熱電材料粉末を、放電プラズマ焼結用の30φの炭素製ダイスに充填した上で、放電プラズマ焼結装置内に入れて、焼結雰囲気4×10-4の真空中で、焼結温度850℃、焼結時圧力30MPa、焼結時間10分の条件で焼結を行い、熱電素子(焼結体)を得た。 Next, the obtained Mg 2 Si-based thermoelectric material powder was filled in a 30φ carbon die for discharge plasma sintering, and then placed in a discharge plasma sintering apparatus to have a sintering atmosphere of 4 × 10 -4. Sintering was performed in the vacuum of 850 ° C., a sintering pressure of 30 MPa, and a sintering time of 10 minutes to obtain a thermoelectric element (sintered body).
《実施例2》
まず、化学量論比が(Mg2.02Si1)B0.75となるように、上記マグネシウム(Mg)粉末、上記ケイ素(Si)粉末、及び、上記ホウ素(B)粉末の秤量を行った。すなわち、一定量(30g)のMg2.02Si1に対して、ホウ素(B)が0.75at%含まれるように秤量を行った。具体的には、マグネシウム粉末が19.083g、ケイ素粉末が10.916g、ホウ素粉末が0.032gとなるように秤量した。
<< Example 2 >>
First, the magnesium (Mg) powder, the silicon (Si) powder, and the boron (B) powder were weighed so that the stoichiometric ratio was (Mg 2.02 Si 1 ) B 0.75. That is, weighing was performed so that 0.75 at% of boron (B) was contained in a fixed amount (30 g) of Mg 2.02 Si 1. Specifically, the magnesium powder weighed 19.083 g, the silicon powder weighed 10.916 g, and the boron powder weighed 0.032 g.
以下、前述した実施例1と同様にして、熱電素子を作製した。 Hereinafter, a thermoelectric element was produced in the same manner as in Example 1 described above.
《実施例3》
まず、化学量論比がMg2.02Si1となると共に、全体の質量が30gとなるように、上記マグネシウム(Mg)粉末、及び、上記ケイ素(Si)粉末の秤量を行った。
<< Example 3 >>
First, the magnesium (Mg) powder and the silicon (Si) powder were weighed so that the stoichiometric ratio was Mg 2.02 Si 1 and the total mass was 30 g.
次に、原料粉末が均一になるように乳鉢内で混合した上で、原料粉末を30φの超鋼ダイス内に収容し、上記プレス機によって、20MPaの圧力でプレス加工を行い、30φ×5mmの円柱状の合成用成形体を得た。 Next, after mixing the raw material powder in a mortar so that the raw material powder becomes uniform, the raw material powder is housed in a 30φ super steel die and pressed by the above press machine at a pressure of 20 MPa to obtain 30φ × 5 mm. A cylindrical synthetic molded product was obtained.
次に、得られた合成用成形体を、半密閉可能な蓋付き炭素製容器内に収容した上で、電気炉内に入れ、アルゴン雰囲気中、温度700℃にて1時間、熱処理を行い、Mg2Siの団粒体を得た。 Next, the obtained synthetic molded body was housed in a semi-sealable carbon container with a lid, placed in an electric furnace, and heat-treated in an argon atmosphere at a temperature of 700 ° C. for 1 hour. Aggregates of Mg 2 Si were obtained.
次に、得られた団粒体を、乳鉢で1mm以下に粗粉砕した上で、自動乳鉢によって、粒径38μm以下となるように微粉砕を行った。 Next, the obtained aggregates were roughly pulverized in a mortar to 1 mm or less, and then finely pulverized in an automatic mortar so that the particle size was 38 μm or less.
次に、得られたMg2Si粉末の一定量(3.5g)に対して、ホウ素(B)が0.25at%含まれるように、得られたMg2Si粉末、及び、上記ホウ素(B)粉末の秤量を行った。具体的には、Mg2Si粉末が3.5g、ホウ素粉末が0.0012gとなるように秤量した。 Next, a certain amount of Mg 2 Si powder obtained for (3.5 g), as boron (B) is contained 0.25 at%, Mg 2 Si powder obtained, and, the boron (B ) The powder was weighed. Specifically, the Mg 2 Si powder was weighed to 3.5 g and the boron powder was weighed to 0.0012 g.
次に、均一になるよう、秤量されたMg2Si粉末及びホウ素粉末を乳鉢内で混合した上で、放電プラズマ焼結用の30φの炭素製ダイスに充填し、放電プラズマ焼結装置内に入れて、焼結雰囲気4×10-4の真空中で、焼結温度850℃、焼結時圧力30MPa、焼結時間10分の条件で焼結を行い、熱電素子(焼結体)を得た Next, the weighed Mg 2 Si powder and boron powder are mixed in a dairy pot so as to be uniform, filled in a 30φ carbon die for discharge plasma sintering, and placed in a discharge plasma sintering device. Then, sintering was performed in a vacuum of a sintering atmosphere of 4 × 10 -4 under the conditions of a sintering temperature of 850 ° C., a sintering pressure of 30 MPa, and a sintering time of 10 minutes to obtain a thermoelectric element (sintered body).
《実施例4》 << Example 4 >>
まず、前述した実施例3と同様にして、Mg2Si粉末を得た上で、得られたMg2Si粉末の一定量(3.5g)に対して、ホウ素(B)が0.75at%含まれるように、得られたMg2Si粉末、及び、上記ホウ素(B)粉末の秤量を行った。具体的には、Mg2Si粉末が3.5g、ホウ素粉末が0.0037gとなるように秤量した。 First, in the same manner as in Example 3 described above, Mg 2 Si powder was obtained, and then boron (B) was 0.75 at% based on a certain amount (3.5 g) of the obtained Mg 2 Si powder. The obtained Mg 2 Si powder and the above-mentioned boron (B) powder were weighed so as to be contained. Specifically, the Mg 2 Si powder was weighed to 3.5 g and the boron powder was weighed to 0.0037 g.
以下、前述した実施例3と同様にして、熱電素子を作製した。 Hereinafter, a thermoelectric element was produced in the same manner as in Example 3 described above.
《実施例5》
まず、化学量論比が(Mg2.02Si1)B1となるように、上記マグネシウム(Mg)粉末、上記ケイ素(Si)粉末、及び、上記ホウ素(B)粉末の秤量を行った。すなわち、一定量(30g)のMg2.02Si1に対して、ホウ素(B)が1at%含まれるように秤量を行った。具体的には、マグネシウム粉末が19.083g、ケイ素粉末が10.916g、ホウ素粉末が0.043gとなるように秤量した。
<< Example 5 >>
First, the magnesium (Mg) powder, the silicon (Si) powder, and the boron (B) powder were weighed so that the stoichiometric ratio was (Mg 2.02 Si 1 ) B 1. That is, weighing was performed so that 1 at% of boron (B) was contained in a fixed amount (30 g) of Mg 2.02 Si 1. Specifically, the magnesium powder weighed 19.083 g, the silicon powder weighed 10.916 g, and the boron powder weighed 0.043 g.
以下、前述した実施例1と同様にして、熱電素子を作製した。 Hereinafter, a thermoelectric element was produced in the same manner as in Example 1 described above.
《実施例6》 << Example 6 >>
まず、前述した実施例3と同様にして、Mg2Si粉末を得た上で、得られたMg2Si粉末の一定量(3.5g)に対して、ホウ素(B)が1at%含まれるように、得られたMg2Si粉末、及び、上記ホウ素(B)粉末の秤量を行った。具体的には、Mg2Si粉末が3.5g、ホウ素粉末が0.0049gとなるように秤量した。 First, in the same manner as in Example 3 described above, Mg 2 Si powder is obtained, and then 1 at% of boron (B) is contained in a certain amount (3.5 g) of the obtained Mg 2 Si powder. As described above, the obtained Mg 2 Si powder and the above-mentioned boron (B) powder were weighed. Specifically, the Mg 2 Si powder was weighed to 3.5 g and the boron powder was weighed to 0.0049 g.
以下、前述した実施例3と同様にして、熱電素子を作製した。 Hereinafter, a thermoelectric element was produced in the same manner as in Example 3 described above.
また、以下のようにして、ホウ素が添加されていないマグネシウムシリサイドで構成される熱電素子を作製した。 Further, as described below, a thermoelectric element composed of magnesium silicide to which boron was not added was produced.
《比較例1》
まず、化学量論比がMg2.02Si1となると共に、全体の質量が30gとなるように、上記マグネシウム(Mg)粉末、及び、上記ケイ素(Si)粉末の秤量を行った。
<< Comparative Example 1 >>
First, the magnesium (Mg) powder and the silicon (Si) powder were weighed so that the stoichiometric ratio was Mg 2.02 Si 1 and the total mass was 30 g.
以下、前述した実施例1と同様にして、熱電素子を作製した。 Hereinafter, a thermoelectric element was produced in the same manner as in Example 1 described above.
更に、以下のようにして、上記実施例1〜6と合成工程及び焼結工程における製造条件(熱処理時間及び焼結時間)が異なる複数種の熱電素子を作製した。 Further, as described below, a plurality of types of thermoelectric elements having different production conditions (heat treatment time and sintering time) in the synthesis step and the sintering step from Examples 1 to 6 were produced.
《変形例1》
合成工程における熱処理時間を4時間、焼結工程における焼結時間を45分とした以外は、前述した実施例3と同様にして、熱電素子を作製した。
<<
A thermoelectric element was produced in the same manner as in Example 3 described above, except that the heat treatment time in the synthesis step was 4 hours and the sintering time in the sintering step was 45 minutes.
《変形例2》
合成工程における熱処理時間を4時間、焼結工程における焼結時間を45分とした以外は、前述した実施例4と同様にして、熱電素子を作製した。
<<
A thermoelectric element was produced in the same manner as in Example 4 described above, except that the heat treatment time in the synthesis step was 4 hours and the sintering time in the sintering step was 45 minutes.
また、以下のようにして、ホウ素が添加されていないマグネシウムシリサイドで構成される熱電素子を作製した。 Further, as described below, a thermoelectric element composed of magnesium silicide to which boron was not added was produced.
《比較例2》
合成工程における熱処理時間を4時間、焼結工程における焼結時間を45分とした以外は、前述した比較例1と同様にして、熱電素子を作製した。
<< Comparative Example 2 >>
A thermoelectric element was produced in the same manner as in Comparative Example 1 described above, except that the heat treatment time in the synthesis step was 4 hours and the sintering time in the sintering step was 45 minutes.
次に、以下のようにして、各熱電素子の評価を室温(25℃)にて行った。 Next, each thermoelectric element was evaluated at room temperature (25 ° C.) as follows.
まず、各熱電素子の一端をヒータで加熱しながら、各熱電素子の両端の温度差及び出力電圧の測定を行い、測定結果に基づいて、ゼーベック係数を算出した。また、4探針法によって、比抵抗の測定を行った。更に、得られたゼーベック係数及び比抵抗に基づいて、パワーファクター(出力因子)を算出した。 First, while heating one end of each thermoelectric element with a heater, the temperature difference between both ends of each thermoelectric element and the output voltage were measured, and the Seebeck coefficient was calculated based on the measurement result. In addition, the specific resistance was measured by the 4-probe method. Furthermore, the power factor (output factor) was calculated based on the obtained Seebeck coefficient and specific resistance.
図3は、各熱電素子の評価結果を示す表である。同図において、αは、ゼーベック係数(単位:μV/K)、ρは、比抵抗(単位:μΩm)、PFは、パワーファクター(単位:W/mK2)を表している。 FIG. 3 is a table showing the evaluation results of each thermoelectric element. In the figure, α represents the Seebeck coefficient (unit: μV / K), ρ represents the specific resistance (unit: μΩm), and PF represents the power factor (unit: W / mK 2 ).
まず、ゼーベック係数αに着目すると、同図に示すように、実施例1〜6、変形例1〜2及び比較例1〜2のいずれもが、マイナスの値となっており、n型の熱電素子(n型半導体素子)となっていることがわかる。 First, focusing on the Seebeck coefficient α, as shown in the figure, all of Examples 1 to 6, Modified Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 have negative values, and n-type thermoelectrics. It can be seen that it is an element (n-type semiconductor element).
また、比較例1との比較では、実施例1〜6のいずれもが、同程度若しくはより小さい(より絶対値が大きい)ゼーベック係数α、及び、より低い比抵抗ρを有しており、相対的に高い熱電性能(パワーファクター)が得られている。 Further, in comparison with Comparative Example 1, all of Examples 1 to 6 have a Seebeck coefficient α of the same degree or smaller (larger absolute value) and a lower specific resistance ρ, and are relative to each other. High thermoelectric performance (power factor) is obtained.
以上のことから、一定量のマグネシウムシリサイドに対して、添加元素として、一定量(例えば、0.25at%以上)のホウ素を添加することで、高い熱電性能(パワーファクター)を有する熱電素子が得られることがわかる。 From the above, by adding a certain amount (for example, 0.25 at% or more) of boron as an additive element to a certain amount of magnesium silicide, a thermoelectric element having high thermoelectric performance (power factor) can be obtained. It turns out that it can be done.
また、変形例1〜2との比較でも、実施例1〜6のいずれもが、より小さい(より絶対値が大きい)ゼーベック係数α、及び、より低い比抵抗ρを有しており、相対的に高い熱電性能(パワーファクター)が得られている。つまり、熱処理時間及び焼結時間については、短い方が相対的に高い熱電性能(パワーファクター)が得られている。これは、より長時間、熱処理や焼結処理が行われると、高真空中であっても原材料中のマグネシウムが酸化して、酸化マグネシウムが(より多く)形成されてしまうことに起因するものと考えられる。 Further, in comparison with the modified examples 1 and 2, all of the examples 1 to 6 have a smaller (larger absolute value) Seebeck coefficient α and a lower specific resistance ρ, and are relative to each other. High thermoelectric performance (power factor) is obtained. That is, with respect to the heat treatment time and the sintering time, the shorter the heat treatment time and the sintering time, the higher the thermoelectric performance (power factor) is obtained. This is due to the fact that when heat treatment or sintering treatment is performed for a longer period of time, magnesium in the raw material is oxidized even in a high vacuum to form (more) magnesium oxide. Conceivable.
更に、実施例3及び4並びに変形例2に関して、以下のようにして、熱耐久性の評価を行った、 Further, with respect to Examples 3 and 4 and Modified Example 2, the thermal durability was evaluated as follows.
まず、各熱電素子を、電気炉内に入れて、大気中、温度400℃にて一定時間(512時間及び1024時間)、熱処理を行った。その後、室温まで自然冷却させた後、上述した方法と同様の方法によって、ゼーベック係数の算出、及び、比抵抗の測定を行った。 First, each thermoelectric element was placed in an electric furnace and heat-treated in the air at a temperature of 400 ° C. for a certain period of time (512 hours and 1024 hours). Then, after naturally cooling to room temperature, the Seebeck coefficient was calculated and the specific resistance was measured by the same method as described above.
図4は、熱耐久性の評価結果を示す表である。同図において、αは、ゼーベック係数(単位:μV/K)、ρは、比抵抗(単位:μΩm)を表している。 FIG. 4 is a table showing the evaluation results of thermal durability. In the figure, α represents the Seebeck coefficient (unit: μV / K), and ρ represents the specific resistance (unit: μΩm).
同図に示すように、大気中400℃で、1000時間以上、熱処理がされた場合であっても、ゼーベック係数及び比抵抗共に、大きな変化を示しておらず、安定した熱電特性を有していることが確認できた。 As shown in the figure, even when heat-treated at 400 ° C. in the atmosphere for 1000 hours or more, neither the Seebeck coefficient nor the specific resistance showed a large change and had stable thermoelectric characteristics. I was able to confirm that it was there.
更に、走査型電子顕微鏡(SEM)及びエネルギー分散型X線分析装置(EDX)(株式会社日立ハイテクノロジーズ製、TM3030Plus)を使って、実施例4の表面の観察及び元素分析を行った。 Further, the surface of Example 4 was observed and elemental analysis was performed using a scanning electron microscope (SEM) and an energy dispersive X-ray analyzer (EDX) (TM3030Plus, manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation).
図5は、実施例4の表面の走査型電子顕微鏡写真であり、図6は、図5の一部(黒点周辺)を拡大した走査型電子顕微鏡写真及びEDXマッピング像である。 FIG. 5 is a scanning electron micrograph of the surface of Example 4, and FIG. 6 is a scanning electron micrograph and an EDX mapping image obtained by enlarging a part of FIG. 5 (around the black spot).
図5において、黒い斑点がホウ素に対応している。同図に示すように、添加されたホウ素については、偏析がなく、全面に分散していることが確認できる。 In FIG. 5, the black spots correspond to boron. As shown in the figure, it can be confirmed that the added boron has no segregation and is dispersed over the entire surface.
更に、実施例4の劈開面に、1%の希塩酸エタノール溶液で10秒ほどエッチングを施して中和した後、SEMによる観察を行った。マグネシウムシリサイド粒子1つ1つの界面をSEMで探索したところ、ホウ素粒子は、マグネシウムシリサイドの粒界領域(微小クラック)に存在していることが確認できた。 Further, the cleaved surface of Example 4 was etched with a 1% dilute ethanol solution of hydrochloric acid for about 10 seconds to neutralize it, and then observed by SEM. When the interface of each magnesium silicide particle was searched by SEM, it was confirmed that the boron particle was present in the grain boundary region (microcrack) of the magnesium silicide particle.
なお、添加されたホウ素の一部については、マグネシウムシリサイドの粒界領域ではなく、マグネシウムシリサイドの体心位置(4bサイト)に侵入していることが考えられる。前述したように、ホウ素を添加したもの(実施例1〜6)の方が、ホウ素無添加のもの(比較例1)より、高い熱電性能を示しているが、これは、添加されたホウ素の一部が、マグネシウムシリサイドの体心位置に侵入したことに起因していると考えることができる。 It is considered that a part of the added boron invades the body-centered position (4b site) of magnesium silicide instead of the grain boundary region of magnesium silicide. As described above, the boron-added ones (Examples 1 to 6) show higher thermoelectric performance than the boron-free ones (Comparative Example 1), which is the result of the added boron. It can be considered that a part of it is caused by invading the body-centered position of magnesium silicide.
また、図6に示したEDXマッピング像から、分散して存在するホウ素粒子の周囲(マグネシウムシリサイドとホウ素の境界領域)には、マグネシウムとホウ素の両方が存在していることが確認できた。 Further, from the EDX mapping image shown in FIG. 6, it was confirmed that both magnesium and boron are present around the dispersed boron particles (the boundary region between magnesium silicide and boron).
そこで更に、レーザーラマン顕微鏡(ナノフォトン株式会社製、RAMANtouch)を使って、実施例4のホウ素粒子の周囲のマグネシウムとホウ素の両方が存在している領域(観察領域)の観察を行った。 Therefore, further, using a laser Raman microscope (RAMANtouch, manufactured by Nanophoton Corporation), the region (observation region) in which both magnesium and boron are present around the boron particles of Example 4 was observed.
図7は、観察領域のラマンスペクトルを示す図である。同図に示すように、ホウ化マグネシム(Mg3B2)及び二ホウ化マグネシウム(MgB2)に対応するピークが確認でき、観察領域(ホウ素粒子の周囲)には、ホウ素化合物(ホウ化マグネシム及び二ホウ化マグネシウム)が生成されていることが確認できた。 FIG. 7 is a diagram showing a Raman spectrum in the observation region. As shown in the figure, boride magnesium (Mg 3 B 2) and the peak corresponding can be confirmed in magnesium diboride (MgB 2), the observation region (around the boron particles), boron compound (boride magnesium And magnesium diboride) was confirmed to be produced.
この化合物相は、焼結時に一定量蒸発するマグネシウムと再反応して形成されたものと考えられる。酸素とホウ素とを比較すると、相対的に、ホウ素の方がマグネシウムと結合しやすいことから、添加されたホウ素が、マグネシウムと先に結合して、ホウ素化合物が形成されることにより、焼結体中での酸化マグネシウムの形成が抑制され、その結果、酸化マグネシウムに起因する熱安定性の低下が起こらず、前述したように、高い熱安定性が得られたものと考えられる。 It is considered that this compound phase was formed by re-reacting with magnesium which evaporates by a certain amount during sintering. Comparing oxygen and boron, boron is relatively more likely to bind to magnesium. Therefore, the added boron binds to magnesium first to form a boron compound, thereby forming a sintered body. It is considered that the formation of magnesium oxide in the film was suppressed, and as a result, the thermal stability was not lowered due to magnesium oxide, and high thermal stability was obtained as described above.
S1,S11 秤量工程
S2,S12 混合工程
S3,S13 成形工程
S4,S14 合成工程
S5,S15 粉砕工程
S6,S18 焼結工程
S16 ホウ素添加工程
S17 混合工程
S1, S11 Weighing process S2, S12 Mixing process S3, S13 Molding process S4, S14 Synthesis process S5, S15 Crushing process S6, S18 Sintering process S16 Boron addition process S17 Mixing process
Claims (9)
添加元素としてホウ素を含有しており、前記ホウ素は、分散して存在している
ことを特徴とする熱電素子。 A thermoelectric element composed of magnesium silicide.
A thermoelectric device containing boron as an additive element, and the boron is dispersed and present.
ことを特徴とする請求項1に記載の熱電素子。 The thermoelectric device according to claim 1, wherein the boron is present in the grain boundary region of magnesium silicide.
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の熱電素子。 The thermoelectric device according to claim 1 or 2, wherein a compound of magnesium and boron is formed around the boron.
前記ホウ素添加工程でホウ素が添加された原料に対して熱処理を行って、Mg2Si系熱電材料を合成する合成工程と、
前記合成工程で合成されたMg2Si系熱電材料を焼結する焼結工程と
を備えたことを特徴とする熱電素子の製造方法。 A boron addition process in which boron is added as an additive element to the raw materials used in the synthesis of Mg 2 Si thermoelectric materials.
In the boron addition step, the raw material to which boron is added is heat-treated to synthesize an Mg 2 Si thermoelectric material, and a synthesis step.
A method for manufacturing a thermoelectric element, which comprises a sintering step for sintering an Mg 2 Si thermoelectric material synthesized in the synthesis step.
ことを特徴とする請求項4に記載の熱電素子の製造方法。 The method for manufacturing a thermoelectric element according to claim 4, wherein the raw materials are magnesium and silicon.
前記合成工程で合成されたMg2Si系熱電材料に、添加元素としてホウ素を添加するホウ素添加工程と、
前記ホウ素添加工程でホウ素が添加されたMg2Si系熱電材料を焼結する焼結工程と
を備えたことを特徴とする熱電素子の製造方法。 Synthesis process for synthesizing Mg 2 Si thermoelectric materials and
A boron addition step of adding boron as an additive element to the Mg 2 Si thermoelectric material synthesized in the synthesis step, and a boron addition step.
A method for manufacturing a thermoelectric element, which comprises a sintering step of sintering an Mg 2 Si thermoelectric material to which boron is added in the boron addition step.
前記合成工程は、前記成形工程で成形された合成用成形体に対して熱処理を行って、Mg2Si系熱電材料を合成する
ことを特徴とする請求項4〜6のいずれか一項に記載の熱電素子の製造方法。 Further equipped with a molding process for pressure molding the raw materials used for the synthesis of Mg 2 Si thermoelectric materials.
The synthesis step according to any one of claims 4 to 6, wherein the synthetic molded product molded in the molding step is heat-treated to synthesize an Mg 2 Si thermoelectric material. Manufacturing method of thermoelectric element.
前記Mg2Si系熱電材料に添加元素としてホウ素を添加するホウ素添加工程と、
前記ホウ素添加工程でホウ素が添加されたMg2Si系熱電材料を焼結する焼結工程と
を備えたことを特徴とする熱電素子の製造方法。 The process of preparing Mg 2 Si thermoelectric material and
A boron addition step of adding boron as an additive element to the Mg 2 Si thermoelectric material, and
A method for manufacturing a thermoelectric element, which comprises a sintering step of sintering an Mg 2 Si thermoelectric material to which boron is added in the boron addition step.
ことを特徴とする請求項4〜8のいずれか一項に記載の熱電素子の製造方法。 The production of the thermoelectric element according to any one of claims 4 to 8, wherein the boron addition step adds 0.25 at% or more of boron to a predetermined amount of magnesium silicide. Method.
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