JP2835406B2 - Thermoelectric material and method of manufacturing the same - Google Patents

Thermoelectric material and method of manufacturing the same

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JP2835406B2
JP2835406B2 JP1293915A JP29391589A JP2835406B2 JP 2835406 B2 JP2835406 B2 JP 2835406B2 JP 1293915 A JP1293915 A JP 1293915A JP 29391589 A JP29391589 A JP 29391589A JP 2835406 B2 JP2835406 B2 JP 2835406B2
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、熱電材料およびその製造方法に関し、詳し
くは特異な性能を有する熱電材料ならびに製造工程を簡
略化した工業的に有利な熱電材料の製造方法に関する。
The present invention relates to a thermoelectric material and a method for producing the same, and more particularly to a thermoelectric material having a unique performance and an industrially advantageous thermoelectric material having a simplified production process. It relates to a manufacturing method.

〔従来の技術及び発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by conventional technology and invention]

ゼーベック効果を利用した熱電発電素子、あるいはペ
ルチェ効果を利用した電子冷却素子は、構造が簡単で取
扱が容易であることから注目されている。これらの熱電
変換材料(熱電材料)は、宇宙開発,海洋開発,僻地用
電源,温度センサーや半導体製造プロセスにおける恒温
装置,エレクトロニクスデバイスの冷却など種々の分野
において幅広く利用されている。また、このような熱電
材料を製造する方法として従来から種々の手段が提供さ
れてきている。例えば、(1)原料を混合溶解してイン
ゴット化してスライスする結晶インゴット製造法、
(2)原料粉末、あるいは混合溶解物を粉末化した後
に、これを成形焼結し、必要に応じてスライスする粉末
焼結製造法、(3)多結晶化−帯溶解製造法、さらには
(4)非晶質製造法や(5)薄・厚膜製造法等各種の製
造法が知られている。
A thermoelectric power generation element using the Seebeck effect or an electronic cooling element using the Peltier effect has attracted attention because of its simple structure and easy handling. These thermoelectric conversion materials (thermoelectric materials) are widely used in various fields such as space development, marine development, power supplies for remote areas, temperature sensors, constant temperature devices in semiconductor manufacturing processes, and cooling of electronic devices. In addition, various means have conventionally been provided as a method for producing such a thermoelectric material. For example, (1) a method for producing a crystal ingot in which raw materials are mixed and dissolved to form an ingot and sliced,
(2) A powder sintering production method in which raw material powder or a mixed solution is powdered, then molded and sintered, and sliced as necessary, (3) a polycrystallization-band melting production method, and ( Various manufacturing methods such as 4) an amorphous manufacturing method and (5) a thin / thick film manufacturing method are known.

しかし、これらのいずれの方法も工程が複雑で、しか
も融解混合という長時間の処理を必要とするなど量産性
が低いという問題があり、また、工程中にスライス操作
を含むものではスライスロスが発生し、あるいは多結晶
化−帯溶解製造法では、結晶による電気的・機械的な方
向性が生じていた。さらに超小型の素子の製造が困難で
あるなどの理由により、その応用範囲は一部の分野に限
られていた。
However, all of these methods have the problem of low mass productivity, such as the complicated steps and the need for long-term processing of melting and mixing, and slice loss occurs when the method involves slicing during the process. Alternatively, in the polycrystallization-zone melting production method, the electrical and mechanical directions due to the crystals have been generated. Further, its application range has been limited to some fields because it is difficult to manufacture ultra-small elements.

特に従来の方法にあっては、成形方法が限定されてお
り、種々の成形方法によって任意の形状の成形品を得る
ことが困難であるという本質的な問題点があった。
In particular, in the conventional method, the molding method is limited, and there is an essential problem that it is difficult to obtain a molded article of an arbitrary shape by various molding methods.

また特開昭59−143383号公報には、これらの問題を解
決する一手段として、鉛テルル化合物とマンガン系の金
属を強制混合することが記載されているが、未だ充分な
方法とはいえない。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-143383 discloses that as one means for solving these problems, forcible mixing of a lead tellurium compound and a manganese-based metal is not yet sufficient. .

さらに、特開昭64−37456号公報には、Bi2Te3−Bi2Se
3固溶体粉末の焼結体を製造する方法が開示されている
が、工程が複雑で実用化には不適当なものである。
Further, Japanese Patent Application Laid-Open No. 64-37456 discloses Bi 2 Te 3 -Bi 2 Se
(3) A method for producing a sintered body of a solid solution powder is disclosed, but the process is complicated and unsuitable for practical use.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

そこで、本発明者らは、製造工程が簡略で、収率も高
く、種々の成形方法により任意の素子を直接得ることも
可能な熱電材料を開発すべく鋭意研究を重ねた。その結
果、特定の原料を用いるとともに、該原料を共粉砕混合
することにより、上記目的を達成できることを見出し
た。本発明はかかる知見に基いて完成したものである。
Therefore, the present inventors have intensively studied to develop a thermoelectric material having a simple manufacturing process, a high yield, and capable of directly obtaining an arbitrary element by various molding methods. As a result, they have found that the above object can be achieved by using a specific raw material and co-milling and mixing the raw material. The present invention has been completed based on such findings.

すなわち本発明は、少なくともビスマスを含有する原
料と少なくともテルルを含有する原料であって全体を合
金化したものでない原料を共粉砕混合した後に、成形
し、焼結してなる熱電材料を提供するとともに、少なく
ともビスマスを含有する原料と少なくともテルルを含有
する原料であって全体を合金化したものでない原料を共
粉砕混合した後に、成形し、焼結することを特徴とする
熱電材料の製造方法を提供するものである。
That is, the present invention provides a thermoelectric material obtained by co-pulverizing and mixing a raw material containing at least bismuth and a raw material containing at least tellurium but not a whole alloyed material, followed by molding and sintering. Providing a method for producing a thermoelectric material, wherein a raw material containing at least bismuth and a raw material containing at least tellurium but not entirely alloyed are co-ground and mixed, and then molded and sintered. Is what you do.

上記熱電材料の原料は、少なくともビスマスを含有す
る原料(粉末)と少なくともテルルを含有する原料(粉
末)であり、全体(全組成物)を合金化した原料(粉
末)を用いる従来方法とは全く異なる。その原料として
は、ビスマスとテルルの他に、アンチモン,セレンなど
の粉末、あるいはテルルとアンチモンの粉末、さらには
テルル・アンチモンの合金粉末などとすることもでき
る。これらの原料の粒径は、特に制限はないが、通常は
平均20〜70μmのものであり、100μm以上のものを含
まないものが好ましい。なお、粒径の大きいものは、事
前に粉砕等の手段により上記粒径の範囲に調節しておく
ことが好ましい。
The raw materials of the thermoelectric material are a raw material (powder) containing at least bismuth and a raw material (powder) containing at least tellurium, which is completely different from the conventional method using a raw material (powder) obtained by alloying the whole (all compositions). different. As the raw material, besides bismuth and tellurium, powders of antimony, selenium, etc., powders of tellurium and antimony, and alloy powders of tellurium-antimony can also be used. The particle size of these raw materials is not particularly limited, but is usually 20 to 70 μm on average, and preferably does not include those having 100 μm or more. It should be noted that those having a large particle size are preferably adjusted in advance to the above-mentioned particle size range by means such as grinding.

また原料の種類やその混合比は、様々な態様が考えら
れるが、例えばBi:Te=2:3(モル比),Bi:Sb:Te=2:8:1
5(モル比),Bi:Te:Se=2:2:1(モル比)あるいは(Bi
+Sb):(Te+Se)=2:3(モル比)などであり、特に
ビスマス(Bi)またはビスマス+アンチモン(Bi+Sb)
とテルル(Te)またはテルル+セレン(Te+Se)を約2:
3の割合で含有させることにより、600K以下で非常に優
れた性能を有する熱電材料を得ることができる。
Various types of raw materials and mixing ratios can be considered. For example, Bi: Te = 2: 3 (molar ratio), Bi: Sb: Te = 2: 8: 1
5 (molar ratio), Bi: Te: Se = 2: 2: 1 (molar ratio) or (Bi
+ Sb): (Te + Se) = 2: 3 (molar ratio), especially bismuth (Bi) or bismuth + antimony (Bi + Sb)
And tellurium (Te) or tellurium + selenium (Te + Se) about 2:
By containing at a ratio of 3, a thermoelectric material having extremely excellent performance at 600K or less can be obtained.

また、原料として、上記成分を含有するものであれ
ば、融解混合をしていない単体金属あるいは精練過程で
得られる金属混合物,金属化合物,原料組成の部分的合
金を用いることもできる。
As a raw material, a single metal that is not melt-mixed or a metal mixture, a metal compound, or a partial alloy of a raw material composition obtained in a refining process can be used as long as it contains the above components.

さらに上記原料には、適量の導電型不純物(ドーパン
ト)を混入することが望ましい。このドーパントとして
は、従来から用いられているものを常法にしたがって添
加混入することができるが、例えば熱電材料をn形とす
る場合には、SbI3,CuTe,Cu2S,CuI,CuBr,AgBrなどを用い
ることができる。またp形とする場合には、Te,Cd,Sb,P
b,As,Bi,Seなどを用いることができる。特に上記の如く
ビスマスとテルルを約2:3で含有させる際には、n形の
場合はSbI3を用いることが、またp形の場合にはTeやSe
を用いることが溶解度や安定性の面から好ましい。この
ドーパントの添加量は、原料の種類や混合比、あるいは
ドーパントとなる物質の種類等により適宜決定されるも
のであるが、通常は0.01〜10モル%、好ましくは0.05〜
5モル%が適当である。
Further, it is desirable to mix an appropriate amount of conductivity type impurity (dopant) into the raw material. As this dopant, a conventionally used dopant can be added and mixed according to a conventional method.For example, when the thermoelectric material is made n-type, SbI 3 , CuTe, Cu 2 S, CuI, CuBr, AgBr or the like can be used. For p-type, Te, Cd, Sb, P
b, As, Bi, Se and the like can be used. In particular, when bismuth and tellurium are contained at a ratio of about 2: 3 as described above, SbI 3 is used for the n-type, and Te or Se is used for the p-type.
Is preferred from the viewpoint of solubility and stability. The addition amount of the dopant is appropriately determined depending on the type and mixing ratio of the raw materials, the type of the substance to be the dopant, and the like, but is usually 0.01 to 10 mol%, preferably 0.05 to 10 mol%.
5 mol% is suitable.

本発明の方法においては、このように配合した原料
(原料粉末)を共粉砕混合して充分に混合させるわけで
あるが、この際に、混合粉砕を同時に進行させて原料の
粒子径をさらに小さくすることが望ましい。この場合、
共粉砕混合は、ボールミル,衝撃微粉砕機,ジェット粉
砕機,塔式摩擦機等の混合と粉砕を同時に行う手段によ
り行うことができる。これらの手段になかでもボールミ
ル,特に落下式でなく遊星型強力ボールミルを使用する
ことが好ましい。また混合時の状態は、乾式あるいは湿
式のいずれでもよく、例えば湿式で行う場合には、混合
助剤としては、エタノールやブタノール等のアルコール
類や各種の溶媒を用いて行うことができる。
In the method of the present invention, the raw materials (raw material powders) thus blended are co-ground and mixed and sufficiently mixed. At this time, the mixing and grinding are simultaneously performed to further reduce the particle diameter of the raw materials. It is desirable to do. in this case,
Co-pulverization and mixing can be performed by means such as a ball mill, impact fine pulverizer, jet pulverizer, tower type friction machine, etc., which simultaneously perform mixing and pulverization. Among these means, it is preferable to use a ball mill, especially a planetary ball mill instead of a drop type. The state of mixing may be either a dry type or a wet type. For example, in the case of performing the wet type, mixing may be performed using alcohols such as ethanol and butanol and various solvents as a mixing aid.

上記共粉砕混合の混合力や混合時間は、粉砕混合後の
原料粉末の平均粒径が0.05〜10μm、好ましくは0.05〜
5μm程度となるように設定することが望ましい。
The mixing power and mixing time of the co-milling and mixing are such that the average particle size of the raw material powder after milling and mixing is 0.05 to 10 μm, preferably 0.05 to 10 μm.
It is desirable to set the thickness to about 5 μm.

なお、上述の混合と共粉砕を同時に進行させる、即ち
共粉砕混合を行うには、遊星型ボールミルを用いてその
粉砕力を4×106〔kg・m・s-1/kg〕以上、特に5×106
〜2×107〔kg・m・s-1/kg〕の範囲に選定することが
特に好ましい。ここで上記粉砕力は次式で定義される。
In addition, the above-mentioned mixing and co-milling proceed simultaneously, that is, in order to perform co-milling and mixing, using a planetary ball mill, the crushing force is 4 × 10 6 [kg · m · s −1 / kg] or more, particularly 5 × 10 6
It is particularly preferable to select a value within the range of 2 × 10 7 [kg · m · s −1 / kg]. Here, the crushing force is defined by the following equation.

式中、Wは処理量(kg),nはボール数,mはボールの質
量(kg),dはポット直径(m),Vはボール速度(m/s),
tは共粉砕混合時間(s)を示す。したがって、粉砕力
が4×106〔kg・m・s-1/kg〕以上となるように処理
量,ボール数,ボールの質量,ポット(遊星型ボールミ
ルのポット)直径,ボール速度及び共粉砕混合時間につ
いて適宜条件を選択し共粉砕混合を行えば良い。ここで
好ましい範囲としてはボール速度は0.4〜6.0m/s、共粉
砕混合時間3〜60時間である。
In the formula, W is the throughput (kg), n is the number of balls, m is the mass of the balls (kg), d is the pot diameter (m), V is the ball speed (m / s),
t indicates the co-milling mixing time (s). Therefore, the processing amount, the number of balls, the mass of the balls, the diameter of the pot (pot of a planetary ball mill), the ball speed, and the co-grinding so that the crushing force is 4 × 10 6 [kg · m · s −1 / kg] or more. Co-milling and mixing may be performed by appropriately selecting the conditions for the mixing time. Here, as preferable ranges, the ball speed is 0.4 to 6.0 m / s and the co-milling and mixing time is 3 to 60 hours.

なお、ボール速度(V)はミルの直径(d)や回転数
(rpm)より次式にしたがって求めることができる。
The ball speed (V) can be obtained from the mill diameter (d) and the number of revolutions (rpm) according to the following equation.

(式中、V及びdは上記と同様である。) このような粉砕力で共粉砕混合を行うと、原料は、状
況によっても異なるが、一般に粉砕力4×106〔kg・m
・s-1/kg〕以上において平均粒径が2μm以下、好まし
くは1μm以下のものとなる。
(In the formula, V and d are the same as described above.) When co-milling and mixing are performed with such a milling force, the raw materials generally vary depending on the situation, but the milling force is generally 4 × 10 6 [kg · m
.S -1 / kg] or more, the average particle size is 2 μm or less, preferably 1 μm or less.

本発明の方法では、次いでこのような原料粉末(微粉
末)を、成形し、焼結することによって目的とする熱電
材料を製造することができる。しかし、本発明の好まし
い態様では、上記の共粉砕混合の後に、粒径150μm以
下の粒子に造粒し、続いて粒径32〜70μmの範囲に分級
して造粒粉の粒径を揃え、しかる後に、成形、焼結を行
うとさらに性能の向上した熱電材料を製造することがで
きる。ここで、造粒は通常はステアリン酸,パラフィン
ワックス等のバインダーを用いて、常法にしたがって行
えばよい。また分級についても通常行われている方法に
従えばよく、特に制限はない。一般的には篩等を用い
て、70μmオーバー及び32μmアンダーをカットすれば
よい。
In the method of the present invention, the target thermoelectric material can be produced by molding and sintering such a raw material powder (fine powder). However, in a preferred embodiment of the present invention, after the above-mentioned co-milling and mixing, granulate to particles having a particle size of 150 μm or less, and then classify the particles in the range of 32 to 70 μm to make the particle size of the granulated powder uniform, Thereafter, when the molding and sintering are performed, a thermoelectric material having further improved performance can be manufactured. Here, granulation may be carried out according to a conventional method, usually using a binder such as stearic acid or paraffin wax. Classification may be performed according to a commonly used method, and there is no particular limitation. Generally, a 70 μm over and a 32 μm under may be cut using a sieve or the like.

更に本発明の方法では、共粉砕混合後の原料粉末を、
あるいは共粉砕混合後に造粒し、さらには必要により分
級した原料粉末(粒子)を、従来行われていた融解混合
処理を行うことなく、たとえばプレス成形等の加圧手段
により希望する形状に加圧成形することができる。この
加圧成形は、必要に応じてポリビニルアルコール等のバ
インダー成分を添加して行うことができる。加圧成形時
の圧力は、原料粉末の種類や粒径により異なるが、通常
は0.2〜20ton/cm2は、好ましくは0.5〜15ton/cm2が適当
である。
Further, in the method of the present invention, the raw material powder after co-milling and mixing,
Alternatively, the raw material powder (particles) that has been granulated after co-milling and mixed, and further classified if necessary, can be pressed into a desired shape by a pressing means such as press molding without performing the melting and mixing process conventionally performed. Can be molded. This pressure molding can be performed by adding a binder component such as polyvinyl alcohol as needed. The pressure at the time of press molding varies depending on the type and particle size of the raw material powder, but is usually 0.2 to 20 ton / cm 2 , preferably 0.5 to 15 ton / cm 2 .

成形方法としては、上記加圧成形の他、押圧成形,射
出成形,コーディング,スクリーン印刷法などの任意の
成形方法を採用することができる。
As the molding method, any molding method such as press molding, injection molding, coding, and screen printing other than the above-mentioned pressure molding can be adopted.

さらに本発明の方法では、上記成形を行った後、焼結
操作を行うことが必要であり、この焼結処理によって得
られる焼結体が熱電材料としての機能を発揮することと
なる。この焼結処理は、前述の成形により得られる成形
体に対して、一般には、常圧あるいは加圧下、アルゴ
ン,窒素,水素あるいはこれらの混合ガス等の雰囲気下
で行われる。焼結温度は、原料粉末の種類,混合比等に
より適宜選択されるが、通常は300〜600℃で行うことが
できる。この際の昇温速度、特に200℃以上における昇
温速度を10K/時間以下とすることが好ましい。これより
も速い速度で昇温すると、得られる熱電材料の性能が低
下することがある。また昇温速度が遅すぎると、所定の
温度まで到達するのに長時間を必要とするため、例えば
5〜10K/時間程度とすることが適当である。なお、昇温
時間は加圧下等の雰囲気や組成等によって異なり、必ず
しもこの範囲に限定されるものではない。
Further, in the method of the present invention, it is necessary to perform a sintering operation after performing the above-described molding, and the sintered body obtained by this sintering process will exhibit a function as a thermoelectric material. This sintering treatment is generally performed on the compact obtained by the above-described molding under normal pressure or under pressure in an atmosphere of argon, nitrogen, hydrogen, or a mixed gas thereof. The sintering temperature is appropriately selected depending on the type of the raw material powder, the mixing ratio, and the like, but can be usually 300 to 600 ° C. In this case, it is preferable that the rate of temperature rise, particularly the rate of temperature rise at 200 ° C. or higher, is 10 K / hour or less. If the temperature is increased at a higher speed than this, the performance of the obtained thermoelectric material may decrease. On the other hand, if the heating rate is too slow, it takes a long time to reach the predetermined temperature. Therefore, it is appropriate to set the heating rate to, for example, about 5 to 10 K / hour. The heating time varies depending on the atmosphere under pressure or the like, the composition, and the like, and is not necessarily limited to this range.

かかる昇温速度で所定の焼結温度に到達した後、該温
度に所定時間保持して、前記成形体を焼結することによ
り、目的の熱電材料を得ることができる。また、焼結時
間は通常0.5〜30時間である。
After reaching a predetermined sintering temperature at such a temperature increasing rate, the temperature is maintained for a predetermined time and the formed body is sintered to obtain a target thermoelectric material. The sintering time is usually 0.5 to 30 hours.

〔実施例〕〔Example〕

次に、発明を実施例及び参考例に基いてさらに詳しく
説明する。
Next, the present invention will be described in more detail based on Examples and Reference Examples.

実施例1〜14および参考例1,2 第1表に示すように、各種組成の100メッシュパスの
原料粉末及びドーパントを用意し、それぞれをエタノー
ルを加えた遊星型湿式ボールミルにて3時間、共粉砕混
合を行った。得られた各粉末の粒子径は平均で約1μm
であった。
Examples 1 to 14 and Reference Examples 1 and 2 As shown in Table 1, raw powders and dopants of 100 mesh pass of various compositions were prepared, and each was mixed for 3 hours in a planetary wet ball mill to which ethanol was added. Grinding and mixing were performed. The average particle size of the obtained powders is about 1 μm.
Met.

次に、得られた混合粉末を1000kg/cm2の圧力で加圧成
形し、第1表に示す夫々の焼結条件にて焼結を行った。
焼結時間は10時間,2時間である。
Next, the obtained mixed powder was pressed under a pressure of 1000 kg / cm 2 and sintered under the respective sintering conditions shown in Table 1.
The sintering time is 10 hours and 2 hours.

尚、昇温速度は、第1表に示す焼結温度から焼結温
度に至る間の昇温速度である。また、参考例1及び2
は、上記共粉砕混合に代えて従来法である融解混合によ
り原料成分を混合し、粉末化したものである。
The heating rate is a heating rate from the sintering temperature shown in Table 1 to the sintering temperature. Reference Examples 1 and 2
Is a powder obtained by mixing raw material components by melt mixing, which is a conventional method, in place of the above co-milling and mixing.

実施例15及び16 第2表に示す原料組成の平均粒径45μm程度の粉末及
びドーパントを、第2表に示す配合比で合計処理量とし
て0.1(kg)用い、エタノールを1ml/gの割合で加え、遊
星型湿式ボールミルにてボール数=50個、1個あたりの
ボールの質量=0.0021(kg),ミルのポッド直径=0.07
6(m),ボール速度=2(m/s)(回転数500rpm),共
粉砕混合時間=40×3600(s)の条件下で、粉砕力8×
106〔kg・m・s-1/kg〕にて強制粉砕混合を行った。な
お、ポッド体積は200ml、ボール直径10mmであった。得
られた粉末の平均粒径は約1μmであった。
Examples 15 and 16 Powders and dopants having an average particle size of about 45 μm of the raw material composition shown in Table 2 were used at a mixing ratio shown in Table 2 as a total treatment amount of 0.1 (kg), and ethanol was used at a rate of 1 ml / g. In addition, in a planetary wet ball mill, the number of balls = 50, the mass of each ball = 0.0021 (kg), the pod diameter of the mill = 0.07
6 (m), ball speed = 2 (m / s) (rotation speed: 500 rpm), co-milling time = 40 x 3600 (s), grinding power 8 x
Forced pulverization and mixing were performed at 10 6 [kg · m · s -1 / kg]. The pod volume was 200 ml and the ball diameter was 10 mm. The average particle size of the obtained powder was about 1 μm.

次に、得られた混合粉末を、一軸加圧成形機にて1.0t
on/cm2の圧力で加圧成形した。その後、アルゴン雰囲気
下にて昇温速度6K/min、焼結温度460℃、焼結時間5時
間で焼結を行い、熱電材料を得た。
Next, the obtained mixed powder was subjected to 1.0 t with a uniaxial pressing machine.
Pressure molding was performed at a pressure of on / cm 2 . Thereafter, sintering was performed in an argon atmosphere at a heating rate of 6 K / min, a sintering temperature of 460 ° C., and a sintering time of 5 hours to obtain a thermoelectric material.

得られた熱電材料の熱電特性を第2表に示す。 Table 2 shows the thermoelectric properties of the obtained thermoelectric material.

実施例17及び18 実施例15において原料組成を第2表に示されるものと
し、ボール速度を3.2(m/s)(回転数800rpm)で粉砕力
12.8×106〔kg・m・s-1/kg〕としたこと以外は、実施
例15と同様にして共粉砕混合を行い、さらに実施例15と
同様に成形,焼結を行った。結果を第2表に示す。
Examples 17 and 18 In Example 15, the raw material composition was as shown in Table 2, and the ball speed was 3.2 (m / s) (the number of revolutions was 800 rpm).
Co-milling and mixing were performed in the same manner as in Example 15 except that the weight was set to 12.8 × 10 6 [kg · m · s −1 / kg]. Further, molding and sintering were performed in the same manner as in Example 15. The results are shown in Table 2.

実施例19及び20 実施例15において原料組成を第2表に示されるものと
し、ボール速度を4.8(m/s)(回転数1200rpm)で粉砕
力19.2×106〔kg・m・s-1/kg〕としたこと以外は、実
施例15と同様にして共粉砕混合を行い、さらに実施例15
と同様に成形,焼結を行った。結果を第2表に示す。
Examples 19 and 20 In Example 15, the raw material composition was as shown in Table 2, and the ball speed was 4.8 (m / s) (rotation speed 1200 rpm) and the crushing force was 19.2 × 10 6 [kg · m · s −1. / kg), except that co-milling and mixing were performed in the same manner as in Example 15.
Forming and sintering were performed in the same manner as in The results are shown in Table 2.

実施例21 実施例17と同様の条件にて共粉砕混合した粉末を、造
粒し、次いで70〜100μmに分級した後、実施例17と同
様に成形、焼結を行い、熱電材料を得た。結果を第2表
に示す。
Example 21 A powder co-ground and mixed under the same conditions as in Example 17 was granulated, then classified into 70 to 100 μm, and molded and sintered in the same manner as in Example 17 to obtain a thermoelectric material. . The results are shown in Table 2.

実施例22 実施例18と同様の条件にて共粉砕混合した粉末を、造
粒し、次いで70〜100μmに分級した後、実施例18と同
様に成形、焼結を行い、熱電材料を得た。結果を第2表
に示す。
Example 22 A powder co-ground and mixed under the same conditions as in Example 18 was granulated, then classified into 70 to 100 μm, and molded and sintered as in Example 18 to obtain a thermoelectric material. . The results are shown in Table 2.

実施例23 実施例17と同様の条件にて共粉砕混合した粉末を、造
粒し、次いで32〜70μmに分級した後、実施例17と同様
に成形、焼結を行い、熱電材料を得た。結果を第2表に
示す。
Example 23 A powder co-ground and mixed under the same conditions as in Example 17 was granulated, then classified into 32 to 70 μm, and molded and sintered in the same manner as in Example 17 to obtain a thermoelectric material. . The results are shown in Table 2.

実施例24 実施例18と同様の条件にて共粉砕混合した粉末を、造
粒し、次いで32〜70μmに分級した後、実施例18と同様
に成形、焼結を行い、熱電材料を得た。結果を2表に示
す。
Example 24 A powder obtained by co-milling and mixing under the same conditions as in Example 18 was granulated, then classified into 32 to 70 μm, and molded and sintered as in Example 18 to obtain a thermoelectric material. . The results are shown in Table 2.

実施例25 実施例17と同様の条件にて共粉砕混合した粉末を、造
粒し、次いで32μm以下に分級した後、実施例17と同様
に成形、焼結を行い、熱電材料を得た。結果を第2表に
示す。
Example 25 A powder co-ground and mixed under the same conditions as in Example 17 was granulated, then classified to 32 μm or less, and then molded and sintered as in Example 17, to obtain a thermoelectric material. The results are shown in Table 2.

実施例26 実施例18と同様の条件にて共粉砕混合した粉末を、造
粒し、次いで32μm以下に分級した後、実施例18と同様
に成形、焼結を行い、熱電材料を得た。結果を第2表に
示す。
Example 26 A powder co-ground and mixed under the same conditions as in Example 18 was granulated, then classified to 32 μm or less, and then molded and sintered as in Example 18, to obtain a thermoelectric material. The results are shown in Table 2.

〔発明の効果〕 以上説明したように、原料となる金属粉末を共混合し
て成形し、焼結することにより、容易に熱電材料を得る
ことができる。特に単体金属粉末を原料とすることがで
きるため、原料の調製も簡単に行うことができ、さらに
製造工程において、煩わしい操作や特殊な装置を用いる
ことなく、容易に製造することができ、熱電材料の製造
コストを低減することができる。
[Effects of the Invention] As described above, a thermoelectric material can be easily obtained by co-mixing, molding, and sintering a metal powder as a raw material. In particular, since a single metal powder can be used as a raw material, the raw material can be easily prepared, and can be easily manufactured without troublesome operations and special devices in a manufacturing process. Manufacturing cost can be reduced.

特に、加圧成形のみでなく、押圧成形,コーティン
グ,スクリーン印刷法など製品として望ましい形態にな
るように任意の成形法を用いることができる特徴があ
る。
In particular, not only pressure molding but also any molding method such as pressure molding, coating, and screen printing can be used so as to obtain a desirable form as a product.

本発明の方法で製造した熱電素子の熱伝導率Kは、1.
4Wm-1K-1以下、特に0.7〜1.3Wm-1K-1であり、融解混合
したもの(参考例)よりも低いという大きな特徴を有し
ている。このことは、燒結の際の粒成長があまり起こら
ず、微細粒製造となっているためと考えられる。このよ
うに熱伝導率が低い分だけ性能指数が向上し、参考例に
比べて遜色のない熱電材料となる。また、特に粉砕力4
×104(Kg・m・s-1/Kg)以上の条件下にて遊星型ボー
ルミルを用いて共粉砕混合した場合には、得られる熱電
素子は性能指数(Z)が、例えば1.5×10-3〜2.60×10
-3K-1以上のものであり、粉砕力4×104(Kg・m・s-1/
Kg)以下の条件下で作製したものと比較して性能指数が
著しく向上しており、最大冷却温度差が向上した熱電素
子である。
The thermal conductivity K of the thermoelectric element manufactured by the method of the present invention is 1.
It is 4 Wm -1 K -1 or less, particularly 0.7 to 1.3 Wm -1 K -1 , and has a great feature that it is lower than the melt-mixed product (Reference Example). This is presumably because grain growth during sintering does not occur much, and fine grains are produced. Thus, the figure of merit is improved by the lower thermal conductivity, and the thermoelectric material is inferior to the reference example. In particular, the crushing force 4
When co-milling and mixing using a planetary ball mill under conditions of × 10 4 (Kg · m · s -1 / Kg) or more, the obtained thermoelectric element has a figure of merit (Z) of, for example, 1.5 × 10 4 -3 to 2.60 × 10
-3 K -1 or more, with a crushing power of 4 × 10 4 (Kg · m · s -1 /
Kg) The thermoelectric element has a significantly improved figure of merit as compared with those manufactured under the following conditions, and has an improved maximum cooling temperature difference.

しかも製造ロスや結晶構造による方向性も生ぜず、そ
のうえ、任意の形状のものを直接得ることができるた
め、小型化が可能であると共に、モジュールの一体成形
も可能である。
In addition, since there is no production loss and no directionality due to the crystal structure, and any shape can be directly obtained, the size can be reduced and the module can be integrally formed.

したがって、本発明の方法で得られる熱電材料は、熱
電発電や熱電冷却,温度センサー等、宇宙開発,海洋開
発,僻地用電源,半導体製造プロセス,エレクトロニク
スデバイスその他幅広い分野で有効な利用が期待され
る。
Therefore, the thermoelectric material obtained by the method of the present invention is expected to be effectively used in a wide range of fields such as thermoelectric power generation, thermoelectric cooling, and temperature sensors, such as space development, marine development, power supplies for remote areas, semiconductor manufacturing processes, and electronic devices. .

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 時合 健生 千葉県君津郡袖ケ浦町上泉1660番地 出 光石油化学株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−235764(JP,A) 特開 昭58−144401(JP,A) 特公 昭37−1931(JP,B1) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 35/16 H01L 35/34──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Takeo Tokiai 1660 Kamiizumi, Sodegaura-cho, Kimitsu-gun, Chiba Pref. Idemitsu Petrochemical Co., Ltd. (56) References JP-A-60-235764 (JP, A) 58-144401 (JP, A) JP 37-1931 (JP, B1) (58) Fields investigated (Int. Cl. 6 , DB name) H01L 35/16 H01L 35/34

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】少なくともビスマスを含有する原料と少な
くともテルルを含有する原料であって全体を合金化した
ものでない原料を共粉砕混合した後に、成形し、焼成し
てなる熱電材料。
1. A thermoelectric material obtained by co-pulverizing and mixing a raw material containing at least bismuth and a raw material containing at least tellurium but not entirely alloyed, and then molding and firing.
【請求項2】少なくともビスマスを含有する原料と少な
くともテルルを含有する原料においてBi:Te=2:3(モル
比)である特許請求の範囲第1項に記載された熱電材
料。
2. The thermoelectric material according to claim 1, wherein Bi: Te = 2: 3 (molar ratio) between the raw material containing at least bismuth and the raw material containing at least tellurium.
【請求項3】ビスマス、アンチモンからなる原料とテル
ル、セレンからなる原料であって全体を合金化したもの
でない原料を共粉砕混合した後に、成形し、燒結してな
る熱電材料。
3. A thermoelectric material obtained by co-milling and mixing a raw material made of bismuth and antimony and a raw material made of tellurium and selenium which are not entirely alloyed, and then molding and sintering.
【請求項4】ビスマス、アンチモンからなる原料とテル
ル、セレンからなる原料においてBi又は(Bi+Sb)とTe
又は(Te+Se)の混合比が、2:3(モル比)である特許
請求の範囲第3項記載の熱電材料。
4. In a raw material comprising bismuth and antimony and a raw material comprising tellurium and selenium, Bi or (Bi + Sb) and Te
4. The thermoelectric material according to claim 3, wherein the mixing ratio of (Te + Se) is 2: 3 (molar ratio).
【請求項5】熱伝導率が、1.4Wm-1K-1以下である特許請
求の範囲第1項〜第4項記載の熱電材料。
5. The thermoelectric material according to claim 1, wherein the thermoelectric material has a thermal conductivity of 1.4 Wm -1 K -1 or less.
【請求項6】少なくともビスマスを含有する原料と少な
くともテルルを含有する原料であって全体を合金化した
ものでない原料を共粉砕混合した後に、成形し、燒結す
ることを特徴とする熱電材料の製造方法。
6. A method for producing a thermoelectric material, wherein a raw material containing at least bismuth and a raw material containing at least tellurium but not entirely alloyed are co-ground and mixed, then molded and sintered. Method.
【請求項7】共粉砕混合後に粉末の平均粒径が、0.05〜
10μmである特許請求の範囲第6項記載の熱電材料の製
造方法。
7. An average particle size of the powder after co-milling and mixing is 0.05 to 0.05.
7. The method for producing a thermoelectric material according to claim 6, wherein the thickness is 10 μm.
【請求項8】燒結の際の昇温速度が、10K/時間以下であ
る特許請求項第6項又は第7項記載の熱電材料の製造方
法。
8. The method for producing a thermoelectric material according to claim 6, wherein the rate of temperature rise during sintering is 10 K / hour or less.
【請求項9】少なくともビスマスを含有する原料と少な
くともテルルを含有する原料であって全体を合金化した
ものでない原料を、粉砕力4×106(Kg・m・s-1/Kg)
以上の条件下にて遊星型ボールミルを用いて共粉砕混合
した後に、成形し、燒結することを特徴とする熱電材料
の製造方法。
9. A raw material containing at least bismuth and a raw material containing at least tellurium but not entirely alloyed are milled with a grinding force of 4 × 10 6 (Kg · m · s −1 / Kg).
A method for producing a thermoelectric material, comprising co-milling and mixing using a planetary ball mill under the above conditions, followed by molding and sintering.
【請求項10】少なくともビスマスを含有する原料と少
なくともテルルを含有する原料であって全体を合金化し
たものでない原料を、粉砕力4×106(Kg・m・s-1/K
g)以上の条件下にて遊星型ボールミルを用いて共粉砕
混合した後、得られた粉末を粒径15μm以下に造粒し、
次いで粒径32〜70μmの範囲に分級し、さらに成形し、
燒結することを特徴とする熱電材料の製造方法。
10. A raw material containing at least bismuth and a raw material containing at least tellurium but not entirely alloyed are crushed with a grinding force of 4 × 10 6 (Kg · m · s −1 / K
g) After co-milling and mixing using a planetary ball mill under the above conditions, the resulting powder is granulated to a particle size of 15 μm or less,
Next, the particles were classified into a particle size range of 32 to 70 μm, and further molded,
A method for producing a thermoelectric material, comprising sintering.
【請求項11】少なくともビスマクスを含有する原料と
少なくともテルルを含有する原料であって全体を合金化
したものでない原料に、導電型不純物を混入した特許請
求の範囲第9項又は第10項記載の熱電材料の製造方法。
11. The method according to claim 9, wherein a conductive impurity is mixed into a raw material containing at least bismux and a raw material containing at least tellurium but not entirely alloyed. Manufacturing method of thermoelectric material.
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