JP4393412B2 - Thermoelectric conversion material - Google Patents

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Description

本発明は、熱電変換材料に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion material.

従来、熱エネルギーと電気エネルギーとの相互変換が可能な熱電変換素子が知られている。この熱電変換素子は、p型及びn型の二種類の熱電変換材料を用いて構成されており、この二種類の熱電変換材料を電気的に直列に接続し、熱的に並列に配置した構成とされている。この熱電変換素子は、両端子間に電圧を印加すれば、正孔の移動及び電子の移動が起こり、両面間に温度差が発生する(ペルチェ効果)。また、この熱電変換素子は、両面間に温度差を与えれば、やはり正孔の移動及び電子の移動が起こり、両端子間に起電力が発生する(ゼーベック効果)。このため、熱電変換素子をパーソナルコンピュータのCPU、冷蔵庫、カーエアコン等の冷却用の素子として用いたり、ごみ焼却炉等から生ずる廃熱を利用した発電装置用の素子として用いたりすることが検討されている。   Conventionally, thermoelectric conversion elements capable of mutual conversion between thermal energy and electrical energy are known. This thermoelectric conversion element is configured using two types of thermoelectric conversion materials, p-type and n-type, and the two types of thermoelectric conversion materials are electrically connected in series and are arranged in parallel thermally. It is said that. In this thermoelectric conversion element, when a voltage is applied between both terminals, hole movement and electron movement occur, and a temperature difference occurs between both surfaces (Peltier effect). Moreover, if this thermoelectric conversion element gives a temperature difference between both surfaces, the movement of a hole and the movement of an electron will also occur, and an electromotive force will generate | occur | produce between both terminals (Seebeck effect). For this reason, it is considered to use the thermoelectric conversion element as an element for cooling a CPU, refrigerator, car air conditioner, etc. of a personal computer, or as an element for a power generation apparatus using waste heat generated from a waste incinerator or the like. ing.

従来、熱電変換素子を構成する熱電変換材料として、BiTeやPbTe等が実用化されている。また、Bi−Te系の材料でn型の熱電変換材料を形成する際には一般にSeが添加される。これらの熱電変換材料を構成する元素のBi、Te、Pb及びSeは毒性が強いため、環境汚染のおそれがある。 Conventionally, Bi 2 Te 3 , PbTe, and the like have been put to practical use as thermoelectric conversion materials constituting thermoelectric conversion elements. In addition, Se is generally added when forming an n-type thermoelectric conversion material using a Bi-Te-based material. The elements Bi, Te, Pb and Se constituting these thermoelectric conversion materials are highly toxic and may cause environmental pollution.

環境汚染の少ない熱電変換材料として、ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlの基本構造に対してFe、V及びAlの少なくとも1元素の少なくとも一部が他の元素で置換され、置換する元素が原子量の大きいものとされることによって、電子をキャリアとするn型になるように制御されているものが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。そして、Feに代えて置換する他の元素が周期表における第4〜6周期の9族及び10族からなる群から選ばれ、Vに代えて置換する他の元素が周期表における第4〜6周期の6族及び7族からなる群から選ばれ、Alに代えて置換する他の元素が周期表における第3〜6周期の14〜16族からなる群から選ばれる。 As a thermoelectric conversion material with little environmental pollution, at least a part of at least one element of Fe, V, and Al is replaced with another element with respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure, and the element is replaced Have been controlled so as to be n-type with electrons as carriers (see, for example, Patent Document 1). The other element to be substituted in place of Fe is selected from the group consisting of groups 9 and 10 of the 4th to 6th periods in the periodic table, and the other element to be substituted in place of V is the 4th to 6th in the periodic table. Selected from the group consisting of groups 6 and 7 of the period, and other elements substituted for Al are selected from the group consisting of groups 14 to 16 of the 3rd to 6th periods in the periodic table.

特許文献1には、ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlの基本構造に対してFe、V及びAlの少なくとも1元素の少なくとも一部が他の元素で置換され、置換する元素が原子量の大きいものとされることによって、正孔をキャリアとするp型になるように制御されているものも提案されている。そして、Vに代えて置換する他の元素が周期表における第4〜6周期の4族からなる群から選ばれ、Alに代えて置換する他の元素が周期表における第3〜6周期の2族からなる群から選ばれる。 In Patent Document 1, at least a part of at least one element of Fe, V, and Al is substituted with another element with respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure, and the element to be substituted has an atomic weight. Some have been proposed that are controlled to be p-type with holes as carriers by being made large. Then, the other element to be substituted in place of V is selected from the group consisting of Group 4 of the 4th to 6th periods in the periodic table, and the other element to be substituted in place of Al is 2 in the 3rd to 6th periods in the periodic table. Selected from the group consisting of tribes.

また、p型の熱電変換材料として、FeAl100−x−y(ただし、40≦x≦49、26≦y≦40である)で表される組成を有し、ホイスラー構造を主相とする化合物で、Feの一部又はAlの一部が他の元素で置換されているものが提案されている(例えば、特許文献2参照。)。特許文献2には、Feの一部を置換する元素としては、Ti、Cr、Co、Ni、Cu、Zn、Zr、Nb、Mo、Ag、Hf、Ta、W、Y及び希土類元素が挙げられ、Alの一部を置換する元素としては、C、N、Si、P、S、Mg、Ga、Ge、Sn、Sb、In及びBiが挙げられている。そして、Alの一部を置換する元素としては、熱伝導度を低減する効果が高いことから、Sn、Sb、In及びBiが特に好ましい旨が記載されている。
特開2004−253618号公報(明細書の段落[0012]〜[0014],[0020]〜[0022]) 特開2004−119648号公報(明細書の段落[0016]〜[0021])
Further, as a p-type thermoelectric conversion material, it has a composition represented by Fe x Al y V 100-xy (where 40 ≦ x ≦ 49, 26 ≦ y ≦ 40), and has a Heusler structure as a main component. A compound in which a part of Fe or a part of Al is substituted with another element has been proposed (see, for example, Patent Document 2). Patent Document 2 includes Ti, Cr, Co, Ni, Cu, Zn, Zr, Nb, Mo, Ag, Hf, Ta, W, Y, and rare earth elements as elements for substituting part of Fe. Examples of elements that substitute a part of Al include C, N, Si, P, S, Mg, Ga, Ge, Sn, Sb, In, and Bi. And as an element which substitutes a part of Al, since the effect of reducing thermal conductivity is high, it describes that Sn, Sb, In, and Bi are especially preferable.
JP 2004-253618 A (paragraphs [0012] to [0014], [0020] to [0022] of the specification) JP 2004-119648 A (paragraphs [0016] to [0021] of the specification)

しかしながら、ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlの一部を他の元素と置換した構成の熱電変換材料に対する研究はまだ十分ではない。本願発明者は、ホイスラー合金型の結晶構造を有するFeVAlに関して鋭意研究した結果、本発明に至った。 However, research on a thermoelectric conversion material in which a part of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure is replaced with another element is not yet sufficient. As a result of intensive studies on the Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure, the present inventor has reached the present invention.

本発明の目的は、ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlと同じ基本構造を持ち、有害元素含まずに出力因子(Power factor)PをFeVAlより大きくすることができる熱電変換材料を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion material having the same basic structure as Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure and capable of making a power factor P larger than Fe 2 VAl without containing harmful elements. It is to provide.

前記の目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlの基本構造に対してAlの一部が希土類元素及びSiで置換されており、希土類元素をMとした場合にFe VAl 1−m−n Si で表される組成の熱電変換材料であり、前記希土類元素はYであり、前記組成m及び前記組成nは、m+n=0.07、かつ0.002≦m≦0.03である。
請求項2に記載の発明は、ホイスラー合金型の結晶構造を持つFe VAlの基本構造に対してAlの一部が希土類元素及びSiで置換されており、希土類元素をMとした場合にFe VAl 1−m−n Si で表される組成の熱電変換材料であり、前記希土類元素は、Nd、Sm、Gd及びTbから選ばれた一つであり、前記組成m及び前記組成nは、0<m<1、0<n<1、0<m+n<1である。
請求項1及び請求項2に係る発明では、ホイスラー合金型の結晶構造を持つFe VAlに有害でない添加元素が存在する状態で、出力因子(Power factor)PをFe VAlより大きくすることができる。また、熱電変換材料を製造する際に、原料としてFe、V、Alの他に希土類元素及びSiを添加することで、Fe VAlの製造方法と同様の方法で製造することができる。
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a part of Al is substituted with rare earth elements and Si with respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure , When the rare earth element is M, it is a thermoelectric conversion material having a composition represented by Fe 2 VAl 1-mn M m Si n , the rare earth element is Y, and the composition m and the composition n are m + n = 0.07 and 0.002 ≦ m ≦ 0.03.
According to the second aspect of the present invention, when a part of Al is substituted with a rare earth element and Si with respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure, 2 VAl 1-mn M m Si n is a thermoelectric conversion material having a composition represented by the formula, wherein the rare earth element is one selected from Nd, Sm, Gd, and Tb, and the composition m and the composition n is 0 <m <1, 0 <n <1, 0 <m + n <1.
In the inventions according to claims 1 and 2 , the power factor P may be made larger than Fe 2 VAl in the presence of an additive element that is not harmful to Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure. it can. Further, when manufacturing a thermoelectric conversion material, by adding Fe, V, in addition to rare earth elements and Si in Al as a raw material, it can be produced by the same method as the manufacturing method of Fe 2 VAl.

また、出力因子PがFeVAlより大きくなることに加えて、熱電変換材料の熱伝導率が低下するため、出力因子Pの大きさが同じ場合でも、熱伝導率が低下しない熱電変換材料に比較して性能指数が大きくなる。ここで、「性能指数」とは、出力因子Pを熱伝導率で割った値(Z)として定義されるものであり次式で表される。 In addition to the fact that the output factor P becomes larger than Fe 2 VAl, the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material is reduced. Therefore, even if the output factor P is the same, the thermoelectric conversion material does not decrease the thermal conductivity. In comparison, the figure of merit increases. Here, the “performance index” is defined as a value (Z) obtained by dividing the output factor P by the thermal conductivity, and is expressed by the following equation.

Z=α/(ρκ)…(1)
P=α/ρ…(2)
但し、αはゼーベック係数、ρは電気抵抗率、κは熱伝導率である。
Z = α 2 / (ρκ) (1)
P = α 2 / ρ (2)
Where α is the Seebeck coefficient, ρ is the electrical resistivity, and κ is the thermal conductivity.

本発明によれば、ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlに比較して、Alの一部が希土類元素及びSiで置換されたことで、有害元素を含まずに出力因子(Power factor)PをFeVAlより大きくすることができる。 According to the present invention, compared with Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure, a part of Al is substituted with rare earth elements and Si , so that a power factor does not contain harmful elements. P can be made larger than Fe 2 VAl.

(第1の実施形態)
以下、本発明を具体化した第1の実施形態を説明する。
この実施形態では、熱電変換材料は、ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlの基本構造に対してAl(アルミニウム)の一部が希土類元素で置換されており、希土類元素をMとした場合にFeVAl1−xで表される組成を有する。但し、0<X<1。この組成を有する熱電変換材料においては、希土類元素はドナーとして働き、n型の熱電変換材料となる。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described.
In this embodiment, in the thermoelectric conversion material, a part of Al (aluminum) is substituted with a rare earth element with respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure, and the rare earth element is M The composition is represented by Fe 2 VAl 1-x M x . However, 0 <X <1. In the thermoelectric conversion material having this composition, the rare earth element acts as a donor and becomes an n-type thermoelectric conversion material.

FeVAl1−xで表される組成を有する熱電変換材料の出力因子Pは、いずれも室温付近で大きな値となり、温度が高くなるに従って減少する。
Alの一部を希土類元素と置換した場合、Smを除き、前記組成Xが0.02〜0.03までは置換割合が増えるに従って出力因子Pが大きくなるが、0.02〜0.03でピークとなり、それ以上置換割合が増えると出力因子Pが小さくなる。一方、Sm(サマリウム)で置換した場合は、前記組成Xが0.05まで置換割合が増えるに従って出力因子Pが大きくなるが、増大割合は小さい。
The output factor P of the thermoelectric conversion material having a composition represented by Fe 2 VAl 1-x M x becomes a large value near room temperature, and decreases as the temperature increases.
When a part of Al is substituted with a rare earth element, the output factor P increases as the substitution ratio increases until the composition X is 0.02 to 0.03 except Sm, but 0.02 to 0.03. It becomes a peak, and the output factor P decreases as the replacement ratio increases further. On the other hand, in the case of substitution with Sm (samarium), the output factor P increases as the substitution ratio increases up to 0.05, but the increase ratio is small.

FeVAl1−xで表される組成を有する熱電変換材料の出力因子Pの最大値同士を比較すると、MがY(イットリウム)の場合が最大となり、以下、Nd(ネオジウム)、Gd(ガドリニウム)、Tb(テルビウム)、Sm(サマリウム)の順に小さくなる。しかし、いずれの希土類元素で置換した場合でも、希土類元素で置換されていない基準のFeVAlにおける出力因子Pの値に対して、組成Xが0.03以上変化する範囲にわたって5倍以上の値になる。 When the maximum values of the output factors P of the thermoelectric conversion materials having the composition represented by Fe 2 VAl 1-x M x are compared, the case where M is Y (yttrium) is the maximum, and hereinafter, Nd (neodymium), Gd (Gadolinium), Tb (terbium), and Sm (samarium) decrease in this order. However, when any rare earth element is substituted, the value of the output factor P in the reference Fe 2 VAl not substituted with the rare earth element is 5 times or more over a range where the composition X changes by 0.03 or more. become.

Alの一部を希土類元素と置換した場合、希土類元素としてY、Nd及びTbを用いた場合は、置換割合即ち組成Xが増えるに従って、熱伝導率が低下する。従って、出力因子Pの大きさが同じ場合でも、熱伝導率が低下しない熱電変換材料に比較して性能指数が大きくなる。   When a part of Al is substituted with a rare earth element, when Y, Nd, and Tb are used as the rare earth element, the thermal conductivity decreases as the substitution ratio, that is, the composition X increases. Therefore, even when the magnitude of the output factor P is the same, the figure of merit becomes larger than that of a thermoelectric conversion material in which the thermal conductivity does not decrease.

Smの場合は、組成Xが0.01付近に熱伝導率のピークがあり、ピーク値は置換しないFeVAlの熱伝導率より大きく、組成Xが0.02強までは、FeVAlの熱伝導率より大きな熱伝導率となる。また、Gd(ガドリニウム)の場合は、組成Xが0.02付近に熱伝導率のピークがあり、ピーク値は置換しないFeVAlの熱伝導率より大きく、ピーク値はSmの組成Xが0.02強の熱伝導率の値とほぼ等しい。 For Sm, there is a peak of the thermal conductivity of the composition X is in the vicinity of 0.01, the peak value is greater than the thermal conductivity of the Fe 2 VAl is not replaced until the composition X is 0.02 strong, the Fe 2 VAl The thermal conductivity is larger than the thermal conductivity. In the case of Gd (gadolinium), the composition X has a peak of thermal conductivity in the vicinity of 0.02, the peak value is larger than the thermal conductivity of Fe 2 VAl that is not substituted, and the peak value is 0 when the composition X of Sm is 0. It is almost equal to the value of thermal conductivity of just over .02.

以下、実施例によりさらに詳細に説明する。但し、それらは例示であって、本発明を限定するものではない。
<試料作製>
熱電変換材料の試料作製はアーク溶解法により行った。出発原料として、純度がFe(99質量%)、V(99質量%)、Al(99.9質量%)、希土類(Y,Nd,Sm,Gd,Tb)(99.9質量%)の素材(原料)を準備し、これらを表1に示す組成となるように大気中で秤量(1回に約16gを使用)して、原料混合物とした。この原料混合物を日本特殊機械(株)製の非消耗式アーク溶解炉により溶解した。溶解は高純度Ar雰囲気(99.9999%)中で行った。アーク溶解により得られる合金の組成が均一となるように、複数回(例えば、5回)の再溶解を繰り返した後、冷却してインゴットを得た。
Hereinafter, the embodiment will be described in more detail. However, these are examples and do not limit the present invention.
<Sample preparation>
A sample of the thermoelectric conversion material was prepared by an arc melting method. As a starting material, a material having a purity of Fe (99% by mass), V (99% by mass), Al (99.9% by mass), rare earth (Y, Nd, Sm, Gd, Tb) (99.9% by mass) (Raw materials) were prepared, and these were weighed in the atmosphere so as to have the composition shown in Table 1 (about 16 g was used at a time) to obtain a raw material mixture. This raw material mixture was melted by a non-consumable arc melting furnace manufactured by Nippon Special Machinery Co., Ltd. Dissolution was performed in a high purity Ar atmosphere (99.9999%). After re-melting a plurality of times (for example, 5 times) so that the composition of the alloy obtained by arc melting was uniform, cooling was performed to obtain an ingot.

Figure 0004393412
<測定試料の作製>
試料作製で得られた合金インゴットから、所定の大きさの試料をbrother (株)製のワイヤー放電加工機HS−300によって切り出した。その試料を石英管に入れ、真空封入した後、1273Kで48時間の均質化熱処理を施したものを測定試料とした。
Figure 0004393412
<Preparation of measurement sample>
A sample of a predetermined size was cut out from the alloy ingot obtained by the sample preparation using a wire electric discharge machine HS-300 manufactured by brother. The sample was put in a quartz tube, vacuum sealed, and subjected to homogenization heat treatment at 1273K for 48 hours as a measurement sample.

<硬さ試験>
希土類元素を添加したことによる機械特性を評価するため、(株)明石製作所製のMVK−GI型微小硬度計により硬さ測定を行った。試料の長手方向に沿って1mm間隔に12点測定し、そのうち最大値及び最小値を除いた10点の平均値を硬さとした。荷重は100gで行った。測定用試料は作製した合金を#1500までエメリー紙で研磨後、粒径0.05μmのアルミナ粉末でバフ研磨したものを用いた。
<Hardness test>
In order to evaluate the mechanical properties due to the addition of rare earth elements, hardness was measured with an MVK-GI microhardness meter manufactured by Akashi Seisakusho. Twelve points were measured at 1 mm intervals along the longitudinal direction of the sample, and the average value of 10 points excluding the maximum value and the minimum value was taken as the hardness. The load was 100 g. A sample for measurement was prepared by polishing the prepared alloy up to # 1500 with emery paper and then buffing with an alumina powder having a particle size of 0.05 μm.

<X線回折>
作製した試料の相同定をX線回折法(XRD)で行った。均質化処理を施した試料をメノウ鉢で粉砕した。その後、1273Kで1時間の歪み取りを行い、この合金粉末をガラス製ホルダーに平らになるように敷き詰め、コロジオンによって固定して試料とした。
<X-ray diffraction>
The phase of the prepared sample was identified by X-ray diffraction (XRD). The homogenized sample was pulverized in an agate bowl. Thereafter, distortion was removed for 1 hour at 1273K, and this alloy powder was spread flat on a glass holder and fixed with collodion to obtain a sample.

<組成分析>
作製した合金の組成分析を日本電子(株)製の走査型電子顕微鏡(SEM)に付属したエネルギー分散型X線分光器(EDX)を用いて行った。分析条件は倍率1000倍、加速電圧20kVであり、試料の長手方向に沿って端から端まで12点測定し、そのうち最大値及び最小値を除いた10点の平均値を試料の組成とした。1点は100秒間測定した。測定用試料は作製した合金を#1500までエメリー紙で研磨後、粒径1μmのアルミナ粉末でバフ研磨したものを用いた。
<Composition analysis>
The composition analysis of the produced alloy was performed using an energy dispersive X-ray spectrometer (EDX) attached to a scanning electron microscope (SEM) manufactured by JEOL. The analysis conditions were a magnification of 1000 times and an acceleration voltage of 20 kV. 12 points were measured from end to end along the longitudinal direction of the sample, and the average value of 10 points excluding the maximum and minimum values was taken as the composition of the sample. One point was measured for 100 seconds. A sample for measurement was prepared by polishing the prepared alloy up to # 1500 with emery paper and buffing with alumina powder having a particle diameter of 1 μm.

<電気的性質の測定>
試料の電気的特性をULVAC理工(株)製の熱電能測定装置ZEM−1により測定した。この装置は、試料全体を加熱する加熱炉、計測機器、パソコン及び真空排気装置から構成されており、熱起電力E及び電気抵抗率ρが測定できる。図1に熱電能測定装置の測定部の構成を模式的に示す。測定部10は、試料Sを挟持する一対の電極11,12と、一対のプローブ13a,13bと、プローブ間電圧測定部14とを備えている。
<Measurement of electrical properties>
The electrical characteristics of the sample were measured by a thermoelectric power measuring device ZE-1 manufactured by ULVAC Riko Co., Ltd. This apparatus is composed of a heating furnace for heating the entire sample, a measuring instrument, a personal computer, and an evacuation apparatus, and can measure the thermoelectromotive force E 0 and the electrical resistivity ρ. FIG. 1 schematically shows the configuration of the measuring unit of the thermoelectric power measuring apparatus. The measurement unit 10 includes a pair of electrodes 11 and 12 that sandwich the sample S, a pair of probes 13 a and 13 b, and an interprobe voltage measurement unit 14.

測定用試料はbrother (株)製のワイヤー放電加工機HS−300を用いて、4×4×18mm程度のサンプルに切り出した。サンプルの各面を#1500までエメリー紙で研磨した。試料とプローブ及び電極との接触面はさらに粒径1μmのアルミナ粉末でバフ研磨を行った。この試料を高温端、低温端電極間に固定し、プローブを接触させた。一組のプローブで高温端温度Th、低温端温度Tc及びプローブ間電圧を測定する。測定は、炉内にHeガスを0.05MPa入れた状態で、炉内温度が約313〜1073Kの温度範囲で、プローブ間の温度差は約10Kで行った。測定時は100mAの定常電流を供給した。プローブの平均温度T=(T+T)/2を試料温度とした。 The sample for a measurement was cut out to a sample of about 4 × 4 × 18 mm using a brother electric wire electric discharge machine HS-300. Each side of the sample was polished with emery paper to # 1500. The contact surface between the sample, the probe, and the electrode was further buffed with alumina powder having a particle size of 1 μm. This sample was fixed between the high temperature end electrode and the low temperature end electrode and brought into contact with the probe. The high temperature end temperature Th, the low temperature end temperature Tc, and the inter-probe voltage are measured with a set of probes. The measurement was performed in a temperature range of about 313 to 1073 K and a temperature difference between probes of about 10 K with He gas being put into the furnace at 0.05 MPa. During measurement, a steady current of 100 mA was supplied. The average temperature T = (T h + T c ) / 2 of the probe was used as the sample temperature.

ゼーベック係数αは次式(3)から求められる。
α=E/ΔT…(3)
但し、Eはプローブ間の熱起電力、ΔTはプローブ間の温度差(T−T)である。
The Seebeck coefficient α is obtained from the following equation (3).
α = E 0 / ΔT (3)
However, E 0 is thermoelectromotive force, [Delta] T between the probe is a temperature difference between the probe (T h -T c).

電気抵抗率ρは典型的な測定方法である四端子法により測定した。すなわち、定常電流(100mA)により生じた電圧降下を電圧端子間、この場合プローブ間で測定した。試料の断面積Aを使い、次式(4)で電気抵抗率ρを求めた。   The electrical resistivity ρ was measured by a four-terminal method, which is a typical measurement method. That is, the voltage drop caused by the steady current (100 mA) was measured between the voltage terminals, in this case, between the probes. Using the cross-sectional area A of the sample, the electrical resistivity ρ was determined by the following equation (4).

ρ=(R・A)/L…(4)
但し、Lはプローブ間距離、Rは試料の抵抗値であり、R=V1/(V2/R1)で与えられる。但し、V1はプローブ間電圧、V2は基準抵抗器電圧、R1は基準抵抗値である。
ρ = (R · A) / L (4)
However, L is a distance between probes, R is a resistance value of a sample, and is given by R = V1 / (V2 / R1). However, V1 is an interprobe voltage, V2 is a reference resistor voltage, and R1 is a reference resistance value.

<熱伝導率の測定>
作製した試料についてその熱伝導率をULVAC理工(株)製のレーザーフラッシュ法熱定数測定装置TC−7000を用い、熱拡散率と、比熱より算出した。レーザーフラッシュ法に用いた試料は、ワイヤー放電加工機HS−300を用いて、直径10mm、厚さ1.2mm程度になるように切り出し、表面は#400までエメリー紙で研磨した。熱伝導率の測定は、真空中に置かれた厚さdの円盤状試料表面に瞬間的熱源をレーザー光で照射し、試料裏面の温度を測定することにより熱拡散率を求め、これと試料の比熱から熱伝導率を求める。瞬間レーザー光により与えられた熱量をQ、試料の密度及び比熱をそれぞれD及びCpとすると、試料の裏面温度上昇の最大値Tmaxは、次式(5)で与えられる。
<Measurement of thermal conductivity>
The thermal conductivity of the prepared sample was calculated from the thermal diffusivity and specific heat using a laser flash method thermal constant measuring device TC-7000 manufactured by ULVAC Riko Co., Ltd. The sample used in the laser flash method was cut out to have a diameter of about 10 mm and a thickness of about 1.2 mm using a wire electric discharge machine HS-300, and the surface was polished with emery paper to # 400. The thermal conductivity is measured by irradiating an instantaneous heat source with a laser beam on the surface of a disk-shaped sample having a thickness d placed in a vacuum and measuring the temperature of the back of the sample to obtain the thermal diffusivity. The thermal conductivity is obtained from the specific heat of. When the amount of heat given by the instantaneous laser beam is Q, and the density and specific heat of the sample are D and Cp, respectively, the maximum value T max of the back surface temperature rise of the sample is given by the following equation (5).

max=Q/(DCpd)…(5)
試料表面に瞬間レーザー光が照射されてから、裏面の温度が最大値の1/2に達する時間をt/2とすると、熱拡散率λは次式(6)で求められる。
T max = Q / (DCpd) (5)
The thermal diffusivity λ is obtained by the following equation (6), where t / 2 is the time required for the temperature of the back surface to reach 1/2 of the maximum value after the instantaneous laser light is irradiated on the sample surface.

λ=1.37d/(πt/2)…(6)
従って、熱伝導率κは試料の比熱Cp及び熱拡散率λより次式(7)で表される。
κ=λCpD…(7)
<熱電材料としての評価>
熱電材料としての評価は次式(8)で表される出力因子Pを用いて評価した。
λ = 1.37d 2 / (π 2 t / 2) (6)
Therefore, the thermal conductivity κ is expressed by the following equation (7) from the specific heat Cp and the thermal diffusivity λ of the sample.
κ = λCpD (7)
<Evaluation as thermoelectric material>
Evaluation as a thermoelectric material was performed using an output factor P represented by the following formula (8).

P=α/ρ…(8)
但し、αはゼーベック係数、ρは電気抵抗率である。
<実施例I 〜実施例V >
表1に示す組成となるように原料を秤量して、Alの一部をY(実施例I )、Tb(実施例II)、Nd(実施例III )、Gd(実施例IV)、Sm(実施例V )で置換した合金を作成した。そして、各試料についてX線回折及び組成分析を行った結果、いずれもホイスラー合金型の結晶構造を持ちFeVAl1−xで表される組成の合金であることが確認された。
P = α 2 / ρ (8)
Where α is the Seebeck coefficient and ρ is the electrical resistivity.
<Example I to Example V>
The raw materials are weighed so as to have the composition shown in Table 1, and a part of Al is Y (Example I), Tb (Example II), Nd (Example III), Gd (Example IV), Sm ( An alloy substituted in Example V) was prepared. As a result of performing X-ray diffraction and composition analysis on each sample, it was confirmed that each of the samples was an alloy having a Heusler alloy type crystal structure and a composition represented by Fe 2 VAl 1-x M x .

各実施例I 〜実施例V で得られた合金の硬度を測定した結果、各実施例I 〜実施例V とも基準となるFeVAl(硬度385Hv)に比較して硬度が増加した。実施例III の場合は増加割合は5%程度であったが、他の実施例では1割以上増加した。 As a result of measuring the hardness of the alloy obtained in each of Examples I to V, the hardness increased in comparison with Fe 2 VAl (hardness 385 Hv) as a reference in each of Examples I to V. In the case of Example III, the increase rate was about 5%, but in other Examples, the increase rate was 10% or more.

各実施例I 〜実施例V で得られた試料について、熱電能測定装置により313Kにおいて熱起電力E及び温度差ΔT(T−T)を測定して、ゼーベック係数α及び電気抵抗率ρを求め、(8)式により出力因子P[Wm−1−2]を求めた。結果を表2及び図2〜図6に示す。図2はYを置換元素とした場合を示し、図3はNdを置換元素とした場合を示し、図4はSmを置換元素とした場合を示し、図5はGdを置換元素とした場合を示し、図6はTbを置換元素とした場合を示す。表2は各実施例I 〜実施例V における出力因子Pの最大値を示す。 For the samples obtained in Examples I to V, the thermoelectromotive force E 0 and the temperature difference ΔT (T h −T c ) were measured at 313 K using a thermoelectric power measuring device, and the Seebeck coefficient α and the electrical resistivity were measured. ρ was obtained, and the output factor P [Wm −1 K −2 ] was obtained from the equation (8). The results are shown in Table 2 and FIGS. 2 shows a case where Y is a substitution element, FIG. 3 shows a case where Nd is a substitution element, FIG. 4 shows a case where Sm is a substitution element, and FIG. 5 shows a case where Gd is a substitution element. FIG. 6 shows a case where Tb is used as a substitution element. Table 2 shows the maximum value of the output factor P in each of Examples I to V.

Figure 0004393412
図2〜図6及び表2に示すように、FeVAl1−xで表される熱電変換材料の出力因子Pは、MがYの場合は組成Xが0.02で最大値4.02×10−3[Wm−1−2]となり、MがNdの場合は組成Xが0.02で最大値3.21×10−3[Wm−1−2]となった。また、MがSmの場合は組成Xが0.05で最大値2.49×10−3[Wm−1−2]となり、MがGdの場合は組成Xが0.03で最大値3.12×10−3[Wm−1−2]となり、MがTbの場合は組成Xが0.03で最大値2.84×10−3[Wm−1−2]となった。即ち、熱電変換材料の出力因子Pの最大値同士を比較すると、Yを置換元素とした場合に出力因子Pが最大となり、Y>Nd>Gd>Tb>Smの順に小さくなった。
Figure 0004393412
As shown in FIGS. 2 to 6 and Table 2, the output factor P of the thermoelectric conversion material represented by Fe 2 VAl 1-x M x is the maximum value 4 when the composition X is 0.02 and M is Y. 0.02 × 10 −3 [Wm −1 K −2 ], and when M is Nd, the composition X was 0.02 and the maximum value was 3.21 × 10 −3 [Wm −1 K −2 ]. Further, when M is Sm, the composition X is 0.05 and the maximum value is 2.49 × 10 −3 [Wm −1 K −2 ], and when M is Gd, the composition X is 0.03 and the maximum value is 3 .12 × 10 −3 [Wm −1 K −2 ], and when M is Tb, the composition X was 0.03 and the maximum value was 2.84 × 10 −3 [Wm −1 K −2 ]. That is, when the maximum values of the output factors P of the thermoelectric conversion materials are compared, the output factor P is maximized when Y is a substitution element, and decreases in the order of Y>Nd>Gd>Tb> Sm.

図2に示すように、FeVAl1−xで表される熱電変換材料は、組成Xが0.006〜0.079の範囲において出力因子Pが2.0×10−3[Wm−1−2]以上となり、組成Xが0.01〜0.05の範囲において出力因子Pが2.8×10−3[Wm−1−2]以上となった。FeVAlの出力因子Pは0.04×10−3[Wm−1−2]であり、出力因子Pが2.0×10−3[Wm−1−2]以上になることは、FeVAlに比較して出力因子Pが5倍以上であることを意味する。 As shown in FIG. 2, the thermoelectric conversion material represented by Fe 2 VAl 1-x Y x has an output factor P of 2.0 × 10 −3 [Wm when the composition X is in the range of 0.006 to 0.079. −1 K −2 ] or more, and the output factor P was 2.8 × 10 −3 [Wm −1 K −2 ] or more in the range where the composition X was 0.01 to 0.05. The output factor P of Fe 2 VAl is 0.04 × 10 −3 [Wm −1 K −2 ], and the output factor P is not less than 2.0 × 10 −3 [Wm −1 K −2 ]. This means that the output factor P is 5 times or more as compared with Fe 2 VAl.

図3に示すように、FeVAl1−xNdで表される熱電変換材料は、組成Xが0.015〜0.05の範囲において出力因子Pが2.0×10−3[Wm−1−2]以上となった。 As shown in FIG. 3, the thermoelectric conversion material represented by Fe 2 VAl 1-x Nd x has an output factor P of 2.0 × 10 −3 [Wm in a range where the composition X is 0.015 to 0.05. −1 K −2 ] or more.

図4に示すように、FeVAl1−xSmで表される熱電変換材料は、組成Xが0.02以上の範囲において出力因子Pが2.0×10−3[Wm−1−2]以上となった。 As shown in FIG. 4, the thermoelectric conversion material represented by Fe 2 VAl 1-x Sm x has an output factor P of 2.0 × 10 −3 [Wm −1 K in a range where the composition X is 0.02 or more. -2 ] or more.

図5に示すように、FeVAl1−xGdで表される熱電変換材料は、組成Xが約0.018〜0.08の範囲において出力因子Pが2.0×10−3[Wm−1−2]以上となった。 As shown in FIG. 5, the thermoelectric conversion material represented by Fe 2 VAl 1-x Gd x has an output factor P of 2.0 × 10 −3 [in the range where the composition X is about 0.018 to 0.08. Wm −1 K −2 ] or more.

図6に示すように、FeVAl1−xTbで表される熱電変換材料は、組成Xが0.02〜0.05の範囲において出力因子Pが2.0×10−3[Wm−1−2]以上となった。 As shown in FIG. 6, the thermoelectric conversion material represented by Fe 2 VAl 1-x Tb x has an output factor P of 2.0 × 10 −3 [Wm in the range where the composition X is 0.02 to 0.05. −1 K −2 ] or more.

各実施例I 〜実施例V で得られた試料について、出力因子Pと温度との関係を図7に示す。FeVAl及びFeVAl1−xで表される組成を有する熱電変換材料の出力因子Pは、いずれも室温付近で大きな値となり、温度が高くなるに従って減少する。 FIG. 7 shows the relationship between the output factor P and the temperature for the samples obtained in Examples I to V. The power factor P of the thermoelectric conversion material having a composition represented by Fe 2 VAl and Fe 2 VAl 1-x M x becomes a large value near room temperature, and decreases as the temperature increases.

各実施例I 〜実施例V で得られた試料について、熱伝導率κを測定した結果を図8に示す。希土類元素としてY、Nd及びTbを用いた場合は、組成Xが増えるに従って、熱伝導率が低下する。Smの場合は、組成Xが0.01付近に熱伝導率のピークがあり、ピーク値は置換しないFeVAlの熱伝導率より大きく、組成Xが0.02強までは、FeVAlの熱伝導率より大きな熱伝導率となる。また、Gd(ガドリニウム)の場合は、組成Xが0.02付近に熱伝導率のピークがあり、ピーク値は置換しないFeVAlの熱伝導率より大きく、ピーク値はSmの組成Xが0.02強の熱伝導率の値とほぼ等しい。図8から置換希土類元素の種類に拘わらず、希土類元素の組成Xが0.03以上であれば熱伝導率はAlを置換しないFeVAlの熱伝導率より大きな熱伝導率となることが確認できる。 FIG. 8 shows the results of measuring the thermal conductivity κ of the samples obtained in Examples I to V. When Y, Nd, and Tb are used as the rare earth elements, the thermal conductivity decreases as the composition X increases. For Sm, there is a peak of the thermal conductivity of the composition X is in the vicinity of 0.01, the peak value is greater than the thermal conductivity of the Fe 2 VAl is not replaced until the composition X is 0.02 strong, the Fe 2 VAl The thermal conductivity is larger than the thermal conductivity. In the case of Gd (gadolinium), the composition X has a peak of thermal conductivity in the vicinity of 0.02, the peak value is larger than the thermal conductivity of Fe 2 VAl that is not substituted, and the peak value is 0 when the composition X of Sm is 0. It is almost equal to the value of thermal conductivity of just over .02. FIG. 8 confirms that, regardless of the type of substituted rare earth element, if the composition X of the rare earth element is 0.03 or more, the thermal conductivity is higher than that of Fe 2 VAl not replacing Al. it can.

この実施の形態では以下の効果を有する。
(1)熱電変換材料は、ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlの基本構造に対してAlの一部が希土類元素で置換されており、希土類元素をMとした場合にFeVAl1−xで表される。この場合、ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlに有害でない添加元素が存在する状態で、出力因子PをFeVAlより大きくすることができる。また、熱電変換材料を製造する際に、原料としてFe、V、Alの他に希土類元素を添加することで、FeVAlの製造方法と同様の方法で製造することができる。
This embodiment has the following effects.
(1) In the thermoelectric conversion material, a part of Al is substituted with a rare earth element with respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure, and when the rare earth element is M, Fe 2 VAl 1 -X M Expressed as x . In this case, the output factor P can be made larger than that of Fe 2 VAl in the presence of an additive element that is not harmful to Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure. Further, when manufacturing a thermoelectric conversion material, by adding Fe, V, in addition to rare earth element Al as a raw material, it can be produced by the same method as the manufacturing method of Fe 2 VAl.

(2)FeVAlの基本構造に対してAlの一部と置換される希土類元素は、Y、Nd及びTbから選ばれた一つである。この場合、出力因子PがFeVAlより大きくなることに加えて、熱電変換材料の熱伝導率が低下するため、出力因子Pの大きさが同じ場合でも、熱伝導率が低下しない熱電変換材料に比較して性能指数が大きくなる。 (2) The rare earth element substituted for a part of Al with respect to the basic structure of Fe 2 VAl is one selected from Y, Nd, and Tb. In this case, since the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material is decreased in addition to the output factor P being larger than Fe 2 VAl, the thermoelectric conversion material that does not decrease the thermal conductivity even when the output factor P is the same. The figure of merit is larger than

(3)FeVAlの基本構造に対してAlの一部と置換する希土類元素をYとした場合は、Alと置換された希土類元素の組成Xが0.05以下においては、組成Xが同じになるように他の希土類元素で置換した場合に比較して、出力因子Pが大きくなり、熱電変換材料としての性能が高くなる。 (3) When the rare earth element substituted with a part of Al is Y with respect to the basic structure of Fe 2 VAl, the composition X is the same when the composition X of the rare earth element substituted with Al is 0.05 or less. As compared with the case of substituting with other rare earth elements, the output factor P becomes larger and the performance as a thermoelectric conversion material becomes higher.

(4)FeVAlの基本構造に対してAlの一部と置換された希土類元素の組成Xを0.02〜0.05の範囲にした場合、出力因子Pが2.0×10−3[Wm−1−2]以上となり、FeVAlの出力因子Pの5倍以上になる。 (4) When the composition X of the rare earth element substituted with a part of Al with respect to the basic structure of Fe 2 VAl is in the range of 0.02 to 0.05, the output factor P is 2.0 × 10 −3. [Wm −1 K −2 ] or more, which is 5 times or more the output factor P of Fe 2 VAl.

(5)FeVAlの基本構造に対してAlの一部と置換する希土類元素をYとし、Alと置換されたYの組成Xを0.006〜0.079の範囲にした場合、出力因子Pが2.0×10−3[Wm−1−2]以上となり、他の希土類元素に比較して組成Xの広い範囲において、FeVAlの出力因子Pの5倍以上になる。 (5) When the rare earth element substituted with a part of Al is Y and the composition X of Y substituted with Al is in the range of 0.006 to 0.079 with respect to the basic structure of Fe 2 VAl, the output factor P becomes 2.0 × 10 −3 [Wm −1 K −2 ] or more, and becomes 5 times or more the output factor P of Fe 2 VAl in a wide range of the composition X as compared with other rare earth elements.

(第2の実施形態)
次に、本発明を具体化した第2の実施形態を説明する。この実施形態では、熱電変換材料は、ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlの基本構造に対してAlの一部が希土類元素及びSiで置換されており、希土類元素をMとした場合にFeVAl1−m−nSiで表される組成を有する。この組成を有する熱電変換材料もn型の熱電変換材料となる。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment embodying the present invention will be described. In this embodiment, the thermoelectric conversion material is obtained when a part of Al is substituted with rare earth element and Si with respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure, and the rare earth element is M. It has a composition represented by Fe 2 VAl 1-mn M m Si n . A thermoelectric conversion material having this composition also becomes an n-type thermoelectric conversion material.

FeVAl1−m−nSiで表される組成を有する熱電変換材料の出力因子Pは、いずれも室温付近で大きな値となり、温度が高くなるに従って減少する。
FeVAlの基本構造に対してAlの一部が希土類元素で置換されたFeVAl1−xの熱電変換材料は、Alの一部がSiで置換されたFeVAl1−xSiと比較して、組成Xが小さ状態で出力因子Pの値が大きくなるため、Alの一部が希土類元素及びSiで置換されることにより、相乗効果で出力因子Pの値が大きくなると考えられる。
The output factor P of the thermoelectric conversion material having the composition represented by Fe 2 VAl 1-mn M m Si n becomes a large value near room temperature, and decreases as the temperature increases.
Fe 2 thermoelectric conversion material of substituted Fe 2 VAl 1-x M x part of Al in the rare-earth elements to the basic structure of the VAl is, Fe part of Al is substituted with Si 2 VAl 1-x Since the value of the output factor P becomes large when the composition X is small as compared with Si x , the value of the output factor P becomes large due to a synergistic effect by replacing a part of Al with rare earth elements and Si. Conceivable.

FeVAl1−m−nSiで表される組成のうち希土類元素MがYである場合、Y以外の希土類元素で置換した場合に比較して、出力因子Pが大きくなり、熱電変換材料としての性能が高くなる。FeVAl0.93Si0.07−X(但し、0<X<0.28)で表される熱電変換材料の出力因子Pの最大値は、第1の実施形態における実施例I のFeVAl0.980.02で表される熱電変換材料の出力因子Pの最大値より大きくなる。 When the rare earth element M is Y in the composition represented by Fe 2 VAl 1-mn M m Si n , the output factor P is larger than when the rare earth element other than Y is substituted, and the thermoelectric element The performance as a conversion material becomes high. The maximum value of the output factor P of the thermoelectric conversion material represented by Fe 2 VAl 0.93 Y X Si 0.07-X (where 0 <X <0.28) is Example I in the first embodiment. greater than Fe 2 VAl 0.98 maximum value of the power factor P of the thermoelectric conversion material represented by Y 0.02 a.

以下、実施例によりさらに詳細に説明する。
この実施形態の熱電変換材料も前記第1の実施形態の熱電変換材料と同様の製造方法によって製造することができる。前記第1の実施形態と同様にして試料作製、測定試料の作製、硬さ試験、X線回折、組成分析、電気的性質の測定、熱伝導率の測定及び熱電材料としての評価を行った。
Hereinafter, the embodiment will be described in more detail.
The thermoelectric conversion material of this embodiment can also be manufactured by the same manufacturing method as the thermoelectric conversion material of the first embodiment. In the same manner as in the first embodiment, sample preparation, measurement sample preparation, hardness test, X-ray diffraction, composition analysis, electrical property measurement, thermal conductivity measurement, and evaluation as a thermoelectric material were performed.

FeVAl0.93Si0.07−Xで表される組成式において、Yの組成Xが表3に示す値になるように原料を秤量して、一部が希土類元素(この実施例ではY)及びSiで置換された合金を作成した。そして、各試料についてX線回折及び組成分析を行った結果、いずれもホイスラー合金型の結晶構造を持ちFeVAl1−m−nSiで表される組成の合金であることが確認された。 In the composition formula represented by Fe 2 VAl 0.93 Y X Si 0.07-X , the raw materials were weighed so that the composition X of Y would be the value shown in Table 3, and a part of the rare earth element (this implementation In the examples, Y) and Si substituted alloys were made. As a result of performing X-ray diffraction and composition analysis on each sample, it is confirmed that both are alloys having a Heusler alloy type crystal structure and represented by Fe 2 VAl 1-mn Y m Si n. It was done.

Figure 0004393412
得られた合金の硬度を測定した結果、基準となるFeVAl(硬度385Hv)に比較して硬度が1割以上増加した。
Figure 0004393412
As a result of measuring the hardness of the obtained alloy, the hardness increased by 10% or more compared to the reference Fe 2 VAl (hardness 385 Hv).

得られた試料について、熱電能測定装置により313Kにおいて熱起電力E及び温度差ΔT(T−T)を測定して、ゼーベック係数α及び電気抵抗率ρを求め、(8)式により出力因子P[Wm−1−2]を求めた。結果を図9に示す。なお、図9には、比較のために組成式がFeVAl1−Xで表される熱電変換材料及びFeVAl1−XSiで表される熱電変換材料についても同様にして出力因子Pを求めた結果を合わせて示している。 About the obtained sample, the thermoelectromotive force E 0 and the temperature difference ΔT (T h −T c ) are measured at 313 K using a thermoelectric power measuring device, and the Seebeck coefficient α and the electrical resistivity ρ are obtained. The output factor P [Wm −1 K −2 ] was determined. The results are shown in FIG. For comparison, the thermoelectric conversion material represented by Fe 2 VAl 1- XY X and the thermoelectric conversion material represented by Fe 2 VAl 1-X Si X are also shown in FIG. The result of obtaining the output factor P is also shown.

図9に示すように、FeVAl0.93Si0.07−Xで表される熱電変換材料は、組成Xが0.002〜0.028の範囲において出力因子Pが、第1の実施形態で出力因子Pが最大のFeVAl0.980.02で表される熱電変換材料の出力因子Pの値4.02×10−3[Wm−1−2]より大きくなった。また、Yの組成Xが0.01のときに出力因子Pは5.3×10−3[Wm−1−2]で最大になった。 As shown in FIG. 9, the thermoelectric conversion material represented by Fe 2 VAl 0.93 Y X Si 0.07-X has a power factor P of 1st when the composition X is in the range of 0.002 to 0.028. In the embodiment, the output factor P of the thermoelectric conversion material represented by Fe 2 VAl 0.98 M 0.02 having the maximum output factor P is larger than 4.02 × 10 −3 [Wm −1 K −2 ]. became. Further, when the composition X of Y was 0.01, the output factor P was maximized at 5.3 × 10 −3 [Wm −1 K −2 ].

この実施形態では、次の効果を有する。
(6)熱電変換材料は、ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlの基本構造に対してAlの一部が希土類元素及びSiで置換されており、希土類元素をMとした場合にFeVAl1−m−nSiで表される。この場合、ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlに有害でない添加元素が存在する状態で、出力因子PをFeVAlより大きくすることができる。また、熱電変換材料を製造する際に、原料としてFe、V、Alの他に希土類元素及びAlを添加することで、FeVAlの製造方法と同様の方法で製造することができる。
This embodiment has the following effects.
(6) Thermoelectric conversion materials, Fe 2 part of Al with respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a crystal structure of the Heusler alloy type has been replaced by rare earth elements and Si, a rare earth element when the M It is represented by VAl 1-mn M m Si n . In this case, the output factor P can be made larger than that of Fe 2 VAl in the presence of an additive element that is not harmful to Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure. Further, when manufacturing a thermoelectric conversion material, by adding Fe, V, in addition to rare earth elements and Al of Al as a raw material, it can be produced by the same method as the manufacturing method of Fe 2 VAl.

(7)希土類元素をYとした場合は、他の希土類元素を使用する場合に比較して、出力因子Pが大きくなり、熱電変換材料としての性能が高くなる。
(8)熱電変換材料の組成をFeVAl0.93Si0.07−Xとした場合は、室温付近(例えば、313K)において、組成Xが0.07以下の範囲において出力因子Pが、FeVAl1−Xで表される熱電変換材料の出力因子Pより大きくなる。
(7) When the rare earth element is Y, the output factor P is increased and the performance as a thermoelectric conversion material is enhanced as compared with the case where other rare earth elements are used.
(8) When the composition of the thermoelectric conversion material is Fe 2 VAl 0.93 Y X Si 0.07-X , the output factor P is in the range where the composition X is 0.07 or less near room temperature (for example, 313 K). but greater than the output factor P of the thermoelectric conversion material represented by Fe 2 VAl 1-X Y X .

(9)熱電変換材料の組成をFeVAl0.93Si0.07−Xとした場合は、室温付近(例えば、313K)において、組成Xが0.002〜0.028の範囲において出力因子Pが、FeVAl1−Xで表される熱電変換材料の出力因子の最大値以上より大きくなる。 (9) When the composition of the thermoelectric conversion material is Fe 2 VAl 0.93 Y X Si 0.07-X , the composition X is in the range of 0.002 to 0.028 near room temperature (for example, 313 K). The output factor P becomes greater than the maximum value of the output factor of the thermoelectric conversion material represented by Fe 2 VAl 1- XY X.

(10)熱電変換材料の組成をFeVAl0.93Si0.07−Xとした場合は、室温付近(例えば、313K)において、組成Xが0.002〜0.03の範囲において出力因子Pが、FeVAl1−XSiで表される熱電変換材料の出力因子Pより大きくなる。 (10) When the composition of the thermoelectric conversion material is Fe 2 VAl 0.93 Y X Si 0.07-X , the composition X is in the range of 0.002 to 0.03 near room temperature (for example, 313 K). The output factor P becomes larger than the output factor P of the thermoelectric conversion material represented by Fe 2 VAl 1-X Si X.

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば次のように構成してもよい。
○ 第2の実施形態において、SiとともにAlの一部と置換される希土類はYに限らず、他の希土類でもよい。この場合、第1の実施形態においてAlに対する置換量に対応する組成Xが0.2あるいは0.3で出力因子Pが3.0×10−3[Wm−1−2]以上であるNdあるいはGdが好ましい。
The embodiment is not limited to the above, and may be configured as follows, for example.
In the second embodiment, the rare earth substituted with a part of Al together with Si is not limited to Y, but may be other rare earths. In this case, in the first embodiment, the composition X corresponding to the substitution amount for Al is 0.2 or 0.3, and the output factor P is 3.0 × 10 −3 [Wm −1 K −2 ] or more. Or Gd is preferable.

○ 第2の実施形態において、Alの組成を0.93にしてY及びSiの組成を変更したが、Alの組成を0.93以外の値にしてY及びSiの組成を変更してもよい。
○ ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlの基本構造に対してAlの一部が希土類元素で置換されており、希土類元素をMとした場合にFeVAl1−Xで表される熱電変換材料がよいとした。しかし、熱電変換材料の製造方法によっては、得られた合金の一部においてFeやVの一部が局所的に希土類元素で置換されている可能性はある。そのような場合でも、合金全体として見た場合に、FeVAl1−Xで表される部分が主相であれば、同様の効果が得られる。
In the second embodiment, the composition of Y and Si was changed by setting the Al composition to 0.93, but the composition of Y and Si may be changed by changing the composition of Al to a value other than 0.93. .
○ part of Al with respect to the basic structure of the Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure is substituted with a rare earth element is represented by Fe 2 VAl 1-X M X when the rare earth element is M The thermoelectric conversion material is good. However, depending on the method for producing the thermoelectric conversion material, there is a possibility that a part of the obtained alloy partially substitutes a part of Fe or V with a rare earth element. Even in such a case, when viewed as a whole alloy portion represented by Fe 2 VAl 1-X M X is if main phase, the same effect can be obtained.

○ ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlの基本構造に対してAlの一部が希土類元素及びSiで置換されておりFeVAl1−m−nSiで表される熱電変換材料の場合も同様に、熱電変換材料を構成するFeやVの一部が局所的に希土類元素で置換されていても、合金全体として見た場合に、FeVAl1−m−nSiで表される部分が主相であれば、同様の効果が得られる。 ○ Thermoelectric conversion represented by Fe 2 VAl 1-mn M m Si n in which a part of Al is substituted with rare earth elements and Si with respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure Similarly, in the case of the material, even when part of Fe or V constituting the thermoelectric conversion material is locally substituted with a rare earth element, when viewed as the whole alloy, Fe 2 VAl 1-mn M m if part main phase represented by Si n, the same effect can be obtained.

以下の技術的思想(発明)は前記実施形態又は実施例から把握できる。
(1)前記組成Xは、0.02〜0.05である。
(2)前記希土類元素はYであり、前記組成Xは0.006〜0.079である。
The following technical idea (invention) can be understood from the embodiment or the examples.
(1) before SL composition X is 0.02 to 0.05.
(2) pre-Symbol rare earth element is Y, the composition X is 0.006 to 0.079.

(3)前記希土類元素はYであり、前記組成Xは0.05以下である。
(4)前記希土類元素はYであり、m+n=0.07、かつ0.002≦m≦0.03である。
(3) pre-Symbol rare earth element is Y, the composition X is 0.05 or less.
(4) before Symbol rare earth element is Y, m + n = 0.07, and is 0.002 ≦ m ≦ 0.03.

(5)ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlの基本構造に対してAlの一部が希土類元素で置換されており、希土類元素をMとした場合にFeVAl1−xで表される組成である部分が主相であることを特徴とする熱電変換材料。 (5) A part of Al is substituted with a rare earth element with respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure, and when the rare earth element is M, Fe 2 VAl 1-x M x A thermoelectric conversion material characterized in that a portion having a composition represented is a main phase.

(6)ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlの基本構造に対してAlの一部が希土類元素及びSiで置換されており、希土類元素をMとした場合にFeVAl1−m−nSiで表される組成である部分が主相であることを特徴とする熱電変換材料。 (6) A part of Al is substituted with rare earth elements and Si with respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure, and when the rare earth element is M, Fe 2 VAl 1-m- thermoelectric conversion material characterized in that n M m Si n is a composition represented by parts is the main phase.

(7)出発原料として、Fe、V、Al及び希土類を、希土類元素をMとした場合にFe:50at%、V:25at%、Al:(25−α)at%M:αat%で表される組成となるように秤量し、これらを原料混合物として溶解炉により溶解して得られたホイスラー合金型の結晶構造を持つ熱電変換材料。但し、0<α<3.0である。 (7) As starting materials, Fe, V, Al and rare earth are represented by Fe: 50 at%, V: 25 at%, Al: (25-α) at% , M: α at% when the rare earth element is M. A thermoelectric conversion material having a Heusler alloy type crystal structure obtained by weighing so as to have a composition to be obtained and melting them in a melting furnace as a raw material mixture. However, 0 <α <3.0.

(8)出発原料として、Fe、V、Al、希土類及びSiを、希土類元素をMとした場合にFe:50at%、V:25at%、Al:(25−α−β)at%M:αat%、Si:βat%で表される組成となるように秤量し、これらを原料混合物として溶解炉により溶解して得られたホイスラー合金型の結晶構造を持つ熱電変換材料。但し、0<α<3.0、0<β<3.0で、かつ0<α+β<3.0である。 (8) Fe: V, Al, rare earth and Si as starting materials, Fe: 50 at%, V: 25 at%, Al: (25-α-β) at% , M: A thermoelectric conversion material having a Heusler alloy type crystal structure obtained by weighing them so as to have a composition represented by αat%, Si: βat%, and melting them in a melting furnace as a raw material mixture. However, 0 <α <3.0, 0 <β <3.0, and 0 <α + β <3.0.

熱電能測定装置の測定部の構成を示す模式図。The schematic diagram which shows the structure of the measurement part of a thermoelectric power measuring apparatus. 実施例I における熱電変換材料の組成と出力因子との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the composition of the thermoelectric conversion material in Example I, and an output factor. 実施例IIにおける熱電変換材料の組成と出力因子との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the composition of the thermoelectric conversion material in Example II, and an output factor. 実施例III における熱電変換材料の組成と出力因子との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the composition of the thermoelectric conversion material in Example III, and an output factor. 実施例IVにおける熱電変換材料の組成と出力因子との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the composition of the thermoelectric conversion material in Example IV, and an output factor. 実施例V における熱電変換材料の組成と出力因子との関係を示すグラフ。6 is a graph showing the relationship between the composition of the thermoelectric conversion material and the output factor in Example V. FIG. 熱電変換材料における出力因子と温度との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the output factor and temperature in a thermoelectric conversion material. 各実施例の熱電変換材料における組成と熱伝導率との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the composition and thermal conductivity in the thermoelectric conversion material of each Example. 第2の実施形態における熱電変換材料の組成と出力因子との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the composition of the thermoelectric conversion material in 2nd Embodiment, and an output factor.

符号の説明Explanation of symbols

10…測定部、11,12…電極、13a,13b…プローブ、14…プローブ間電圧測定部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Measurement part, 11, 12 ... Electrode, 13a, 13b ... Probe, 14 ... Inter-probe voltage measurement part.

Claims (2)

ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlの基本構造に対してAlの一部が希土類元素及びSiで置換されており、希土類元素をMとした場合にFe VAl 1−m−n Si で表される組成であり、
前記希土類元素はYであり、前記組成m及び前記組成nは、m+n=0.07、かつ0.002≦m≦0.03であることを特徴とする熱電変換材料。
A part of Al is substituted with rare earth elements and Si with respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure, and Fe 2 VAl 1-mn M m where M is the rare earth element. A composition represented by Si n ,
The rare earth element is Y, and the composition m and the composition n are m + n = 0.07 and 0.002 ≦ m ≦ 0.03 .
ホイスラー合金型の結晶構造を持つFeVAlの基本構造に対してAlの一部が希土類元素及びSiで置換されており、希土類元素をMとした場合にFe VAl 1−m−n Si で表される組成であり、
前記希土類元素は、Nd、Sm、Gd及びTbから選ばれた一つであり、前記組成m及び前記組成nは、0<m<1、0<n<1、0<m+n<1であることを特徴とする熱電変換材料
A part of Al is substituted with rare earth elements and Si with respect to the basic structure of Fe 2 VAl having a Heusler alloy type crystal structure, and Fe 2 VAl 1-mn M m where M is the rare earth element. A composition represented by Si n ,
The rare earth element is one selected from Nd, Sm, Gd, and Tb, and the composition m and the composition n are 0 <m <1, 0 <n <1, 0 <m + n <1. thermoelectric conversion material characterized.
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