JP4460861B2 - Thermoelectric conversion material - Google Patents

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Description

本発明は、熱から電気を発生させる熱電変換素子に利用される熱電変換材料、特に熱電変換の性能が高い材料の組成に特徴を有する熱電変換材料に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion material used for a thermoelectric conversion element that generates electricity from heat, and more particularly to a thermoelectric conversion material characterized by the composition of a material having high thermoelectric conversion performance.

温度差のあるところから発電を行うために熱電変換材料が利用される。従来、このような発電に利用される熱電変換材料の開発がなされているものの、あまり熱電変換の効率はよくない。
また現在利用されている熱電変換材料ではSb、Te、Se等が主であり、毒性が心配される元素が多く使われている(例えば、特許文献1、2参照)ため、このような元素を含まない熱電変換材料の実現が望まれている。
熱電変換効率の指標であるエネルギー変換効率ηは、高温側温度T、低温側温度Tと熱電変換材料の性能によって、次のような数式(1)により決定される。
A thermoelectric conversion material is used to generate power from a temperature difference. Conventionally, thermoelectric conversion materials used for such power generation have been developed, but the efficiency of thermoelectric conversion is not so good.
Further, currently used thermoelectric conversion materials are mainly Sb, Te, Se, etc., and many elements that are worried about toxicity are used (for example, see Patent Documents 1 and 2). The realization of the thermoelectric conversion material which does not contain is desired.
The energy conversion efficiency η, which is an index of the thermoelectric conversion efficiency, is determined by the following formula (1) depending on the high temperature side temperature T H , the low temperature side temperature T L, and the performance of the thermoelectric conversion material.

Figure 0004460861
Figure 0004460861

上記数式(1)において、数式(1)中のZは熱電性能指数と呼ばれ、材料の熱電能S、低効率ρ、熱伝導率κ、を用いて,Z=S/(ρ・κ)により定義される温度の逆数の次元を持つ評価指数である。また、熱電性能指数Zからκをのぞいた式S2/ρは出力因子といい、同様に熱電材料の電気的な評価指数として用いられる。また、同式(1)において<T>はTとTを平均した温度である。
通常、実用レベルの熱電性能指数Zは10−3−1以上必要であり、材料の組成の調整や、材料組織の制御によりできるだけ大きなZが得られるように、材料開発が進められてきている。
性能指数の絶対値は、通常金属では10−6−1程度、半導体では10−5−1程度で、最適化された熱電材料では10−4−1から10−3−1のオーダーとなる。
同様に出力因子は10−5W/mKから10−3W/mKのオーダーでの発電利用が可能となってくる。
In the above formula (1), Z in the formula (1) is referred to as a thermoelectric figure of merit, and Z = S 2 / (ρ · κ) using the thermoelectric power S, low efficiency ρ, and thermal conductivity κ of the material. ) Is an evaluation index having the dimension of the inverse of temperature defined by The expression S 2 / ρ excluding κ from the thermoelectric performance index Z is called an output factor, and is similarly used as an electrical evaluation index of the thermoelectric material. In the formula (1), <T> is a temperature obtained by averaging TH and TL .
Usually, a thermoelectric figure of merit Z of a practical level is required to be 10 −3 K −1 or more, and material development has been advanced so that as large Z as possible can be obtained by adjusting the composition of the material or controlling the material structure. .
The absolute value of the figure of merit is usually around 10 −6 K −1 for metals, around 10 −5 K −1 for semiconductors, and from 10 −4 K −1 to 10 −3 K −1 for optimized thermoelectric materials. It becomes an order.
Similarly, the power factor can be used in the order of 10 −5 W / mK 2 to 10 −3 W / mK 2 .

また、熱電能が高い材料は温度検出用材料としても有用である。すなわち、温度差を電気出力に変換することができるため、温度変化を検出するセンサーとして利用することが可能である。
現在、工業的に利用されている熱電対の熱電能は10μV/Kから大きいものでも50μV/Kであるが、熱電能が100μV/Kから数100μV/Kの材料を利用すれば、よりおおきな熱起電力が得られ、同じ熱信号入力なら電気回路による信号検出が容易になり、また同じ電気回路系を利用する場合は、検出感度が高くなる。
A material having high thermoelectric power is also useful as a temperature detection material. That is, since a temperature difference can be converted into an electrical output, it can be used as a sensor for detecting a temperature change.
At present, the thermoelectric power of industrially used thermocouples is from 10 μV / K to 50 μV / K, but if the material has a thermoelectric power of 100 μV / K to several hundred μV / K, the heat will be larger. When an electromotive force is obtained and the same thermal signal is input, signal detection by an electric circuit is facilitated, and when the same electric circuit system is used, detection sensitivity is increased.

現在、熱電変換材料としてBiTeやPbTeが用いられているが,高温大気中では酸化による特性低下が起きるため、不活性ガスにより密閉する等の処置が必要とされている。
さらに、両材料とも、環境に負荷を与える毒性元素を含んでおり、民生分野で広く応用に期するには限界がある。このため、これら問題点を克服する熱電変換用材料の開発が期待されている。
特開平8−199281号公報 特開平10−32353号公報
Currently, Bi 2 Te 3 and PbTe are used as thermoelectric conversion materials. However, since characteristics are deteriorated due to oxidation in a high-temperature atmosphere, measures such as sealing with an inert gas are required.
In addition, both materials contain toxic elements that have an impact on the environment, and there are limits to their wide application in the consumer sector. Therefore, development of a thermoelectric conversion material that overcomes these problems is expected.
JP-A-8-199281 JP-A-10-32353

本発明の主な目的は、毒性が少ない元素により構成され、耐熱性等に優れ、高い熱電変換効率を有する材料を提供することである。   The main object of the present invention is to provide a material composed of an element having low toxicity, excellent in heat resistance, etc. and having high thermoelectric conversion efficiency.

本発明者らは、上記熱電変換材料の現状に鑑みて種々の研究を重ねた結果、遷移金属元素、II族、III族元素から選択した元素との化合物で、バンドギャップを形成する半導体的な性質、あるいは半金属的な性質をもつ材料が見いだされ、これらの材料は高いゼーベック係数と低い電気抵抗率を有するものであり、熱電変換材料として有用であることを見出し、ここに本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は下記の熱電材料を提供するものである。
1)化学組成が、M1−XCo(M=Fe、Ru、Osから選択した1成分以上の元素、A=Ga、In、Znから選択した1成分以上の元素、0≦x≦1、2.5≦y≦3)で表される化合物を主成分とすることを特徴とする熱電変換材料、2)熱電能の絶対値が50μV/K以上であることを特徴とする1)記載の熱電変換材料、3、熱電能の絶対値が100μV/K以上であることを特徴とする1)記載の熱電変換材料、4)抵抗率が10−3Ωm以下であることを特徴とする1)〜3)のいずれかに記載の熱電変換材料、5)室温における抵抗率が10−2Ωm以下であり、500°C以上の温度域で抵抗率が10−2Ωm以下であることを特徴とする1)〜3)のいずれかに記載の熱電変換材料、6)高温における出力因子が0.001W/(mK)を超えることを特徴とする1)〜5)のいずれかに記載の熱電変換材料、7)焼結密度が95%を超える焼結体であることを特徴とする1)〜6)のいずれかに記載の熱電変換材料、を提供する。
The present inventors have conducted various studies in view of the present state of the thermoelectric conversion material, and as a result, a compound with an element selected from a transition metal element, a group II element, and a group III element, forms a band gap. Properties or semi-metallic properties have been found, and these materials have high Seebeck coefficient and low electrical resistivity, and are found to be useful as thermoelectric conversion materials, thereby completing the present invention. It came to do.
That is, the present invention provides the following thermoelectric material.
1) Chemical composition is M 1-X Co X A y (M = one or more elements selected from Fe, Ru, Os, A = one or more elements selected from Ga, In, Zn, 0 ≦ x ≦ 1, 2.5 ≦ y ≦ 3) a thermoelectric conversion material characterized by comprising as a main component, 2) an absolute value of thermoelectric power of 50 μV / K or more 1 The thermoelectric conversion material described in 3), the absolute value of thermoelectric power is 100 μV / K or more, 1) the thermoelectric conversion material described in 4), and the resistivity is 10 −3 Ωm or less, The thermoelectric conversion material according to any one of 1) to 3), 5) a resistivity at room temperature of 10 −2 Ωm or less, and a resistivity of 10 −2 Ωm or less in a temperature range of 500 ° C. or higher. The thermoelectric conversion material according to any one of 1) to 3), characterized in that: 6) an output factor at a high temperature The thermoelectric conversion material according to any one of 1) to 5), wherein the child exceeds 0.001 W / (mK 2 ), and 7) a sintered body having a sintered density exceeding 95%. The thermoelectric conversion material according to any one of 1) to 6) is provided.

本発明の上記組成の材料を熱電発電モジュールのn型素子またはp型素子、あるいはp型、n型両方に用いることで、温度差から電気エネルギーを効率よく回収することができる。また、これらの材料を用いることで、温度変化を電圧信号に感度良く変換することができるという優れた効果を有する。   By using the material having the above composition of the present invention for an n-type element or p-type element of a thermoelectric power generation module, or both p-type and n-type, electric energy can be efficiently recovered from a temperature difference. Further, the use of these materials has an excellent effect that a temperature change can be converted into a voltage signal with high sensitivity.

材料の組成はすでに記述した通り、化学組成がM1−XCo(M=Fe、Ru、Osから選択した1成分以上の元素,A=Ga、In、Znから選択した1成分以上の元素、0≦x≦1、2.5≦y≦3)で表される化合物を合成することである。この組成を実現し目的の化合物相が得られれば、熱電能が大きく、抵抗率が小さい、熱電材料を実現できる。
熱電変換材料としては、本発明の化合物を主成分として含有する(少なくとも50wt%以上含有)場合に、効果を発揮する。したがって、上記化合物が他の元素や化合物等と複合化された場合でも、熱電変換材料として有効である。
As described above, the composition of the material has a chemical composition of M 1-X Co X A y (M = one or more elements selected from Fe, Ru, Os, A = one or more elements selected from Ga, In, Zn) And a compound represented by 0 ≦ x ≦ 1, 2.5 ≦ y ≦ 3). If this composition is realized and a target compound phase is obtained, a thermoelectric material having high thermoelectric power and low resistivity can be realized.
The thermoelectric conversion material is effective when it contains the compound of the present invention as a main component (containing at least 50 wt% or more). Therefore, even when the above compound is compounded with other elements or compounds, it is effective as a thermoelectric conversion material.

この熱電材料の合成方法は、粉末冶金法、溶解凝固法、又はこれらによって製作したターゲットを用いてプラズマスパッタリングにより成膜して得た薄膜、又は非均衡なプロセスを用いて薄膜状として合成されたものでも良い。
このような製造工程において、重要なことは目的相を得ることである。上記のように、溶解法、薄膜法あるいはこれらをアニーリングして目的の相を得る。
This thermoelectric material synthesis method is a powder metallurgy method, a solution coagulation method, or a thin film obtained by plasma sputtering using a target manufactured by these methods, or a thin film shape using an unbalanced process. Things can be used.
In such a manufacturing process, what is important is to obtain a target phase. As described above, the target phase is obtained by the dissolution method, the thin film method, or annealing them.

上記M1−XCo化合物相が、実質的に形成されることが必要であり、上記複合化を目的とする場合を除き、Fe、Ru、Os、Co単体やGaの単体金属が残留していることは好ましくない。
複合化の場合には、熱電変換材料としての機能を充分に発揮できる程度にM1−XCo化合物相の形成が準備されているのであり、上記のような不完全又は不十分なM1−XCo化合物相の形成を意図しているものではない。この意味から、両者は本質的に異なるものである。
また、化合物相におけるAの比率は、例えば化学両論的組成となるy=3が望ましいが、必ずしもそのような範囲でなくても良い。すなわち2.5≦y≦3であれば、熱電変換材料としての機能を充分に保有する化合物相を形成できる。
なお、yが3を超えると低融点金属であるy成分が単体として存在することになり、材料を昇温すると液相が出て破壊につながるので、y≦3とすることが必要である。2.5≦yは熱電変換材料としての性能を維持させるために必要な限界値である。
また、熱電能の絶対値が50μV/K以上は、本発明の熱電変換材料において容易に実現できる熱電性能であり、熱電変換又は温度計測センサー用として、大きな意味を有するものである。より好ましくは100μV/K以上である。特に、エネルギー変換用熱電材料として、工業的に利用可能な優れた熱電能を得ることができる。
添付する図1、図2に示すような2元系の状態図から、液相の存在しない温度条件で熱処理することにより、目的相を得ることができることができる。
The M 1-X Co X A y compound phase needs to be substantially formed, and Fe, Ru, Os, Co simple substance, and Ga simple substance metal are not used except for the purpose of the above-mentioned complexation. It is not preferable that it remains.
In the case of compounding, the formation of the M 1-X Co X A y compound phase is prepared to such an extent that the function as a thermoelectric conversion material can be sufficiently exhibited. It is not intended to form the M 1-X Co X A y compound phase. In this sense, they are essentially different.
Further, the ratio of A in the compound phase is preferably y = 3, for example, which is a stoichiometric composition, but is not necessarily in such a range. That is, if 2.5 ≦ y ≦ 3, a compound phase that sufficiently retains the function as the thermoelectric conversion material can be formed.
If y exceeds 3, the y component, which is a low melting point metal, exists as a simple substance, and when the temperature of the material is raised, a liquid phase appears and breaks down, so it is necessary to satisfy y ≦ 3. 2.5 ≦ y is a limit value necessary for maintaining the performance as a thermoelectric conversion material.
In addition, an absolute value of thermoelectric power of 50 μV / K or more is thermoelectric performance that can be easily realized in the thermoelectric conversion material of the present invention, and has great significance for thermoelectric conversion or temperature measurement sensors. More preferably, it is 100 μV / K or more. In particular, excellent thermoelectric power that can be used industrially can be obtained as a thermoelectric material for energy conversion.
The target phase can be obtained by heat treatment under the temperature condition in which no liquid phase exists from the binary phase diagram as shown in FIGS.

目的の組成で単相の材料が得られたならば、それらが粒子状、粉末状であれば、ホットプレス法などによって固化整形し、熱電素子として利用する。
溶融凝固物で密度の高い固体であれば、そのまま切り出して熱電材料として利用することができる。また、上記材料からなるターゲット材を用いてスパッタリング等により形成した薄膜であれば基板に積層された状態で使用することができる。
目的相が形成されていれば、後述するように低い抵抗率と高い熱電能を示し、熱電エネルギー変換素子として、またセンサー用材料として利用できる。
If single phase materials with the desired composition are obtained, if they are in the form of particles or powder, they are solidified and shaped by hot pressing or the like and used as thermoelectric elements.
If it is a molten solidified solid with high density, it can be cut out as it is and used as a thermoelectric material. A thin film formed by sputtering or the like using a target material made of the above material can be used in a state of being stacked on a substrate.
If the target phase is formed, it exhibits low resistivity and high thermoelectric power as described later, and can be used as a thermoelectric energy conversion element and a sensor material.

次に、本発明の実施例を説明する。以下に示す実施例は、本発明を容易に理解できるようにするためのものであり、本発明は、これらの実施例に拘束又は制限されるものでない。すなわち、本発明の技術思想に基く変形、又は他の態様等は、全て本発明に含まれるものである。
(実施例1−4)
Next, examples of the present invention will be described. The following examples are provided so that the present invention can be easily understood, and the present invention is not limited or restricted to these examples. That is, all modifications and other aspects based on the technical idea of the present invention are included in the present invention.
(Example 1-4)

Fe(99.9%)、Ru(99.99%)、Os(99.99%)、Co(99.99%)、Ga(99.999%)、を原料とし、MGaを正確に実現するためにM金属とGaのモル比率がちょうど1:3となるような化学量論組成に秤量した。
次に、これを石英アンプルに真空封入し、FeGaおよびCoGaは973K、RuGaおよびOsGaは1073Kで24時間保持した。
このことによって液相が存在しない状態で固相反応により化合物が合成された。得られた化合物を乳鉢で粉砕し原料粉末を得た。
Using Mg (99.9%), Ru (99.99%), Os (99.99%), Co (99.99%), and Ga (99.999%) as raw materials, MGa 3 can be accurately realized. Therefore, the stoichiometric composition was measured such that the molar ratio of M metal to Ga was just 1: 3.
This was then vacuum sealed in a quartz ampoule, FeGa 3 and CoGa 3 is 973 K, Ruga 3 and OsGa 3 was held for 24 hours at 1073 K.
As a result, the compound was synthesized by a solid phase reaction in the absence of a liquid phase. The obtained compound was pulverized in a mortar to obtain a raw material powder.

これらの原料粉末について、Ar雰囲気中、FeGaおよびCoGaは温度973K、圧力100MPaで2時間、RuGaは温度1073K、圧力100MPaで2時間の条件で、OsGaは温度1323K、圧力100MPaで2時間の条件で、それぞれホットプレスを行って焼結体ペレットを得た。ペレットの密度は、全てのサンプルで理論値の94%から99%の範囲にあった。
本実施例で作製した緻密焼結体が目的の相になっていることを確認するため、FeGaおよびRuGaの紛体をX線回折により調べた。その結果のX線回折パターンを図3に示す。図3に示すように、目的とする相が主成分であることが明らかであった。
For these raw material powders, in an Ar atmosphere, FeGa 3 and CoGa 3 are at a temperature of 973 K and a pressure of 100 MPa for 2 hours, RuGa 3 is a temperature of 1073 K and a pressure of 100 MPa for 2 hours, OsGa 3 is 2 at a temperature of 1323 K and a pressure of 100 MPa. Under the conditions of time, hot pressing was performed to obtain sintered pellets. The density of the pellets was in the range of 94% to 99% of theory for all samples.
In order to confirm that the dense sintered body produced in this example is the target phase, the FeGa 3 and RuGa 3 powders were examined by X-ray diffraction. The resulting X-ray diffraction pattern is shown in FIG. As shown in FIG. 3, it was clear that the target phase was the main component.

次に、このようにして得た緻密な単一相のペレットを直方体に切り出して測定試料とし、電気抵抗率と熱電能の測定を行った。その結果を表1(MGa(M=Fe、Ru、Os、Co)の320Kにおける抵抗率、熱電能及び出力因子)に示す。
表1に示すように、M=Fe、Ru及びOsでは絶対値が100μV/Kを超える大きな熱電能Sを有している。
このことから、少ない温度差で大きな起電力を発生することができ、有毒な元素を含まない温度センサー用材料として有望であることが分かる。また、M=Coの場合は、抵抗率ρが10−6ohm−mと非常に小さい値を示し、出力因子は10−3W/m−Kに達する。
この値は実用材料であるBi−Sb−Te−Se系材料の出力因子の25%−30%に達しており、発電性能に関して非常に有望な材料であることが分かる。
Next, the dense single-phase pellets thus obtained were cut into rectangular parallelepipeds to obtain measurement samples, and the electrical resistivity and thermoelectric power were measured. The results are shown in Table 1 (MGA 3 (M = Fe, Ru, Os, Co) resistivity at 320 K, thermoelectric power and output factor).
As shown in Table 1, M = Fe, Ru, and Os have a large thermoelectric power S whose absolute value exceeds 100 μV / K.
From this, it can be seen that a large electromotive force can be generated with a small temperature difference, and that it is promising as a temperature sensor material that does not contain toxic elements. In the case of M = Co, the resistivity ρ is as small as 10 −6 ohm-m, and the output factor reaches 10 −3 W / m−K 2 .
This value reaches 25% -30% of the output factor of the Bi-Sb-Te-Se based material that is a practical material, and it can be seen that this is a very promising material in terms of power generation performance.

Figure 0004460861
(実施例5−6)
Figure 0004460861
(Example 5-6)

本発明で説明する化合物は全て同じ結晶構造、若しくは非常に類似した結晶構造を有しているため、合金化することができる。このような中間組成の合金においても熱電材料として優れた性能を発揮することを確認した。実験方法としては実施例1−4と同じ固相反応後に、ホットプレスする方法で試料を作製した。表2に、これらの実施例に関する320Kにおける抵抗率、熱電能及び出力因子を示した。   Since all the compounds described in the present invention have the same crystal structure or a very similar crystal structure, they can be alloyed. It was confirmed that an alloy having such an intermediate composition exhibits excellent performance as a thermoelectric material. As an experimental method, a sample was prepared by a method of hot pressing after the same solid phase reaction as in Example 1-4. Table 2 shows the resistivity, thermoelectric power and power factor at 320K for these examples.

Figure 0004460861
Figure 0004460861

表2に示すように、実施例5、6ともに抵抗率が低く、熱電能の絶対値が数十μV/Kであり、金属としては大きな出力因子、10−4W/(mK)以上を有していることが分かる。
Co含有量が減ると熱電能が大きくなり、抵抗が増大する傾向を示すことから、よりCo含有量の多い組成で出力因子がさらに増大することが予想でき、いずれも熱電材料として好ましい特性を示すことが分かる。
すなわち、化学式M1−XCoGaで示される場合、好ましくはxが0.5<x<1.0であり、後述する熱伝導率の影響も考慮すると、より好ましくはxが0.8<x<0.95で熱電性能が最適になると考えられる。
(実施例7−10)
As shown in Table 2, the resistivity is low in both Examples 5 and 6, the absolute value of thermoelectric power is several tens of μV / K, and the metal has a large output factor of 10 −4 W / (mK 2 ) or more. You can see that
Since the thermoelectric power increases and the resistance tends to increase as the Co content decreases, it can be expected that the output factor will further increase with a composition having a higher Co content, both of which exhibit favorable characteristics as a thermoelectric material. I understand that.
That is, in the case of being represented by the chemical formula M 1-X Co X Ga 3 , x is preferably 0.5 <x <1.0, and more preferably, x is 0. It is considered that thermoelectric performance is optimal when 8 <x <0.95.
(Example 7-10)

実施例1−4で評価した焼結体試料と同じものを作製し、高温で温度変化させた場合の、熱電能、抵抗率、出力因子をそれぞれ評価した。この結果を、図4、図5、図6に示した。
この中で実施例番号と試料名は以下のとおり対応する。実施例7:FeGa、実施例8:RuGa、実施例9:OsGa、実施例10:CoGa
これらの図から明らかなように、実施例7−9では温度の上昇とともに抵抗が下がり、抵抗率は室温では10−5から10−4ohm−mのオーダーとなる。同時に熱電能の絶対値も低下するが、例えば800Kにおいても100μV/K以上の値を有しており、熱電材料として非常に好ましい。
また実施例10では全ての温度域で低い抵抗率を維持し、熱電能の絶対値も温度上昇とともに増加することから、出力因子は全温度域で10−3W/mKという優れた値を維持する。本発明の材料組成が熱電材料としては大変好ましい特性を有することが明らかである。
(実施例11−20)
The same sintered body samples as evaluated in Example 1-4 were produced, and the thermoelectric power, resistivity, and output factor when the temperature was changed at a high temperature were evaluated. The results are shown in FIGS. 4, 5, and 6.
Among these, the example number and the sample name correspond as follows. Example 7: FeGa 3 , Example 8: RuGa 3 , Example 9: OsGa 3 , Example 10: CoGa 3 .
As is clear from these figures, in Example 7-9, the resistance decreases with increasing temperature, and the resistivity is on the order of 10 −5 to 10 −4 ohm-m at room temperature. At the same time, the absolute value of thermoelectric power decreases, but for example, it has a value of 100 μV / K or more even at 800K, which is very preferable as a thermoelectric material.
In Example 10, since the low resistivity is maintained in all temperature ranges, and the absolute value of thermoelectric power increases as the temperature rises, the output factor has an excellent value of 10 −3 W / mK 2 in all temperature ranges. maintain. It is clear that the material composition of the present invention has very favorable properties as a thermoelectric material.
(Examples 11-20)

本発明の熱電変換材料が粉末冶金法による焼結体である場合、機械的強度の観点から、焼結密度の向上が重要である。このため、焼結条件の最適化を行ない、焼結材料の高密度化を図ることが必要である。本実施例では、焼結温度、焼結圧力、焼結時間を適宜調整することにより、好ましい条件を見いだした。この結果を、表3に示す。
共通の条件として焼結時間2時間、焼結の圧力は100MPaとした。各材料の焼結状態で良とは、この場合焼結密度が95%をこえることを意味する。
各材料について記載されている温度よりもより高温にすることで焼結密度は上昇すると、焼結密度は向上するとも考えられるが、液相が発生する可能性があることは図1、2などから想定できる。
したがってこれらの焼結条件はかなり最適化されたものであり、ここに記載された温度近傍±50°C程度が最良の焼結条件であることが本発明に関る実験で明らかになった。このように、材料に応じて焼結条件を設定することにより、焼結密度95%以上を達成することが可能である。
When the thermoelectric conversion material of the present invention is a sintered body obtained by a powder metallurgy method, it is important to improve the sintering density from the viewpoint of mechanical strength. For this reason, it is necessary to optimize the sintering conditions and increase the density of the sintered material. In this example, preferred conditions were found by appropriately adjusting the sintering temperature, sintering pressure, and sintering time. The results are shown in Table 3.
As common conditions, the sintering time was 2 hours and the sintering pressure was 100 MPa. Good in the sintered state of each material means that the sintered density exceeds 95% in this case.
When the sintering density is increased by raising the temperature to a temperature higher than that described for each material, it is considered that the sintering density is improved. However, there is a possibility that a liquid phase is generated as shown in FIGS. Can be assumed.
Therefore, these sintering conditions are considerably optimized, and it has been clarified by experiments relating to the present invention that the best sintering conditions are around ± 50 ° C. near the temperature described herein. Thus, it is possible to achieve a sintering density of 95% or more by setting the sintering conditions according to the material.

Figure 0004460861
(実施例21−33)
Figure 0004460861
(Examples 21-33)

熱電変換材料としては熱伝導率が低いことが実用上重要である。つまり、高温と低温の間に素子を配置した場合に熱が流れにくいことが求められる。この観点から、本発明の熱電変換材料に関る、試料の熱伝導率の評価を行った。この結果を表4に示す。
表4の実施例25−31から明らかなように、FeGa、RuGa等の2元系では、熱伝導率はおおむね4−5W/mKであり、実施例24のCoGaでは熱伝導率は13W/mKと高めであった。
これらの値はいずれも室温近傍で測定した値である。高温では熱伝導率の格子成分が低下するため、大幅に熱伝導率が下がることが予想できる。
また、実施例21−23は3元系の実施例であり、化学式MGaの、M元素の部分のモル比率が同じになるように、2つの元素(FeとCo)で置き換えたものである。
この場合、合金散乱によりフォノンの伝播が抑制されるため、熱伝導率は2元系にくらべ大幅に減少する。通常の熱電材料の熱伝導率は1.5−2.5W/mKであり、現在開発されているスクッテルダイト化合物や既に市場で応用された実績がある鉄ケイ化物などで4W/mKであることを考えると、本発明の熱電変換材料の熱伝導率は十分低く、このことは熱電変換への応用に好ましいと云える。
As a thermoelectric conversion material, it is practically important that the thermal conductivity is low. That is, it is required that heat hardly flows when an element is disposed between a high temperature and a low temperature. From this viewpoint, the thermal conductivity of the sample relating to the thermoelectric conversion material of the present invention was evaluated. The results are shown in Table 4.
As is clear from Examples 25-31 in Table 4, in the binary system such as FeGa 3 , RuGa 3 , the thermal conductivity is approximately 4-5 W / mK, and in CoGa 3 of Example 24, the thermal conductivity is It was as high as 13 W / mK.
These values are all measured at room temperature. Since the lattice component of the thermal conductivity decreases at a high temperature, it can be expected that the thermal conductivity will be significantly reduced.
Examples 21 to 23 are ternary examples, in which the chemical formula MGa 3 is replaced with two elements (Fe and Co) so that the molar ratio of the M element portion is the same. .
In this case, since phonon propagation is suppressed by alloy scattering, the thermal conductivity is greatly reduced as compared with the binary system. The thermal conductivity of ordinary thermoelectric materials is 1.5-2.5 W / mK, and it is 4 W / mK for skutterudite compounds that are currently being developed or iron silicides that have already been used in the market. In view of this, the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material of the present invention is sufficiently low, which is preferable for application to thermoelectric conversion.

Figure 0004460861
(実施例32)
Figure 0004460861
(Example 32)

表4に記載する実施例32を再掲する。この実施例32は、実施例1と同様な条件でRuInの化合物紛体を合成し、ホットプレス法により焼結して緻密な試料を得たものである。この実施例32について、320Kにて抵抗率、熱電能を測定し、出力因子を決定した。この結果を表5に示す。
表5に示すように、熱電能は負でその絶対値は400μV/Kと非常に大きい。この結果、出力因子は10−4W/mKのオーダーとなり、熱電材料として利用が可能であると考えられる。
Example 32 listed in Table 4 is repeated. In Example 32, a RuIn 3 compound powder was synthesized under the same conditions as in Example 1, and sintered by a hot press method to obtain a dense sample. For Example 32, the resistivity and thermoelectric power were measured at 320 K to determine the output factor. The results are shown in Table 5.
As shown in Table 5, the thermoelectric power is negative and its absolute value is very large as 400 μV / K. As a result, the output factor is on the order of 10 −4 W / mK 2 , and it is considered that it can be used as a thermoelectric material.

Figure 0004460861
(実施例34)
Figure 0004460861
(Example 34)

実施例33の試料試料について、高温で温度変化させた場合の抵抗率、熱電能を測定し出力因子を算出した。その結果を、図7、8、9に示す。
抵抗率は温度上昇に伴い減少し10−5ohm・mのオーダーとなり、熱電能の符号は昇温に伴い400Kで反転し、負から正となり、750K程度で最大の出力因子4.3×10−4W/mKを有することが明らかとなった。
For the sample of Example 33, the resistivity and thermoelectric power when the temperature was changed at a high temperature were measured, and the output factor was calculated. The results are shown in FIGS.
The resistivity decreases with increasing temperature and is on the order of 10 −5 ohm · m, and the sign of thermoelectric power is inverted at 400 K with increasing temperature, changes from negative to positive, and the maximum output factor of about 750 K is 4.3 × 10. to have -4 W / mK 2 revealed.

本発明は、毒性が少ない元素により構成され、耐熱性等に優れ、高い熱電変換効率を有する材料を提供するものであり、熱電変換装置又は温度検出用材料として有用である。   The present invention provides a material that is composed of an element having low toxicity, has excellent heat resistance, and has high thermoelectric conversion efficiency, and is useful as a thermoelectric conversion device or a temperature detection material.

Fe−Ga状態図である。It is a Fe-Ga phase diagram. Co−Ga状態図である。It is a Co-Ga phase diagram. FeGaとRuGaの粉末X線回折パターンを示す図である。It is a graph illustrating a powder X-ray diffraction pattern of FeGa 3 and Ruga 3. MGa(M=Fe、Ru、Os、Co)の抵抗率の温度依存性を示す図である。MGa 3 is a diagram showing (M = Fe, Ru, Os , Co) the temperature dependence of the resistivity. MGa(M=Fe、Ru、Os、Co)の熱電能の温度依存性を示す図である。MGa 3 is a diagram showing (M = Fe, Ru, Os , Co) the temperature dependence of the thermopower of. MGa(M=Fe、Ru、Os、Co)の出力因子の温度依存性を示す図である。MGa 3 is a diagram showing (M = Fe, Ru, Os , Co) the temperature dependence of the output factor. RuInの抵抗率の温度依存性を示す図である。RuIn is a graph showing the temperature dependence of the third resistivity. RuInの熱電能の温度依存性を示す図である。Is a graph showing the temperature dependence of the thermopower of Ruin 3. RuInの出力因子の温度依存性を示す図である。Is a graph showing the temperature dependence of the output factor of Ruin 3.

Claims (7)

化学組成が、M1−XCo(M=Fe、Ru、Osから選択した1成分以上の元素、A=Ga、In、Znから選択した1成分以上の元素、0≦x≦1、2.5≦y≦3)で表される化合物を主成分とすることを特徴とする熱電変換材料。 Chemical composition is M 1-X Co X A y (M = one or more elements selected from Fe, Ru, Os, A = Ga, In, Zn, one or more elements selected, 0 ≦ x ≦ 1 , 2.5 ≦ y ≦ 3) as a main component, and a thermoelectric conversion material. 熱電能の絶対値が50μV/K以上であることを特徴とする請求項1記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein the absolute value of thermoelectric power is 50 μV / K or more. 熱電能の絶対値が100μV/K以上であることを特徴とする請求項1記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein the absolute value of thermoelectric power is 100 µV / K or more. 抵抗率が10−3Ωm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein the resistivity is 10 −3 Ωm or less. 室温における抵抗率が10−2Ωm以下であり、500°C以上の温度域で抵抗率が10−2Ωm以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の熱電変換材料。 And a resistivity of 10 -2 [Omega] m or less at room temperature, the thermoelectric conversion material according to claim 1, 500 ° C or higher temperature range in resistivity is characterized in that at 10 -2 [Omega] m or less . 高温における出力因子が0.001W/(mK)を超えることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 5, wherein an output factor at a high temperature exceeds 0.001 W / (mK 2 ). 焼結密度が95%を超える焼結体であることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の熱電変換材料。
The thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 6, wherein the thermoelectric conversion material is a sintered body having a sintered density exceeding 95%.
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