JP4809691B2 - 鉄合金熱電材料 - Google Patents
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Description
熱電材料の熱電変換性能は、材料特有の因子であるゼーベック係数S、電気抵抗率ρ、熱伝導率κにより下記の式で表される。
性能指数Z=S 2 /ρκ
また、S 2 /ρを出力因子といい、電気の流れやすさを示す熱電特性の指標のひとつである。従って、熱電変換性能を挙げるためにはゼーベック係数が高い、電気抵抗率と熱伝導率が低い材料が望ましい。
また、従来からの熱電半導体は、Bi−Te系材料ではp型とn型とするためB(ホウ素)やSe(セレン)を添加する必要がある。これらのSe、Te(テルル)、Pb(鉛)は有害元素であり、地球環境面で好ましくない。また、上記元素やGe(ゲルマニウム)などは資源として希少元素あり、材料コストが高いことも問題である。
本発明で着目したFe−V−Al系材料は、DO 3 型結晶構造をもつFe 3 AlにおいてFeをV(バナジウム)で置換していくと、より規則的なホイスラー型L2 1 結晶構造(Fe 2 VAl)に変化し、フェルミ準位に鋭い擬ギャップを形成する。これまで提案されたFe−V−Al系材料は、Fe 2 VAlのFeの一部をMnやCrで置換したもの(特許文献1参照)、Vの一部をTiやMoで置換したもの(特許文献2参照)、Al(アルミニウム)の一部をSiやGeやSnで置換したもの(特許文献2参照)により熱電特性を向上させている。
また、Fe−V−Al系材料では、鋳鋼並みのC(炭素)、Si(けい素)、S(硫黄)を添加した簡易な材料組成であっても、高いゼーベック係数を維持すると共に、電気抵抗率を大幅に低下することができるが、熱伝導率は殆ど変化しないため、変換効率向上のためには更なるゼーベック係数の向上が必要である。
そこで、本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、優れた熱電特性を有し、環境に優しく、低コストで量産性に向いた熱電材料を提供することを目的とする。
図1は(V−C)濃度とゼーベック係数の関係を示す図、図2は(V−C)濃度と電気抵抗率の関係を示す図、図3は(Al+Si)濃度とゼーベック係数の関係を示す図、図4は(Al+Si)濃度と電気抵抗率の関係を示す図である。ここで、(V−C)濃度はV濃度とC濃度の差のことであり、(Al+Si)濃度はAl濃度とSi濃度の和を表す。
本発明で着目したFe−V−Al系材料は、Fe 2 VAlにおいてV(バナジウム)の僅かな濃度変化により、フェルミ準位が僅かにずれてゼーベック係数の符号が大きく変化することが公知となっている(Journal of Alloy and Compounds,329(2001)p.63〜68)。Fe−V−Al系材料は従来の半導体材料とは異なり、鉄系材料であるため、原子濃度比が目的の組成となるように調整し鋳造により熱電材料を作製することが可能である。
本実施例においては、純鉄、FeV(フェロバナジウム)、純Al(アルミニウム)を原材料とし、高周波誘導加熱炉を用いてアルゴンガス雰囲気での溶解を行い、鋳型へ溶湯温度1600〜1800℃で所定の形状に鋳造し、鋳放し材を加工して熱電材料を作製した。
さらに本発明においてはV、Alを多量に含む本材料系は溶解温度が高くなるため、鋳造性を良好にするため鋳鉄材料に含有されているC(炭素)、Si(けい素)、S(硫黄)といった鋳造性を良好にする元素を添加して熱電材料を作製した。本発明では、これらの元素添加のみで高いゼーベック係数と低い電気抵抗率の両立を成分濃度範囲を絞ることによって達成されるものである。
なお、鋳造方法については上記に限定されるものではなく真空鋳造等の別の方法で鋳造しても構わない。
ゼーベック係数の測定は、試験片を作製しアルバック理工製「ZEM−1S」を用いて測定した。また電気抵抗率の測定は、直流4端子法により測定した。熱伝導率はレーザーフラッシュ法により測定した。
<分析方法>
元素及び炭化物含有の分析及び化合物の同定については、赤外線吸収法、発光分光分析法、ICP(誘導結合プラズマ発光分光分析法)、EDX(エネルギー分散型X線分析)、XRD(X線回折法)を使用した。
その結果として、本実施形態に係る熱電材料においてはC添加によりV系炭化物(V 6 C 5 、V 8 C 7 )が析出し、母相のV濃度が低下し、これが熱電能(ゼーベック係数)に影響を及ぼすことが判った。そのため発明者らは、V濃度とC濃度との差、すなわち[V濃度−C濃度]が、熱電能に大きく寄与していることを見出したのである。さらには[Al濃度+Si濃度]によって熱電能が大きく変化することが実験的に得られた。
具体的には、[V濃度−C濃度]が20at%未満、および32at%を超えるとゼーベック係数が極端に低くなる。また[Al濃度+Si濃度]が20at%未満、および30at%を超えるとゼーベック係数が極端に低くなる。
したがって、本実施形態に係る熱電材料において[V濃度−C濃度]を20at%以上32at%以下、かつ[Al濃度+Si濃度]を20at%以上30at%以下になるように調整することが好ましいのである。
また、特に上記配合比において、Cの添加による炭化物形成がCを添加しないものと比較して熱電特性の改善、特に性能指数の重要因子である電気抵抗率の低減に大きな効果を果たしているのである。
図1及び図3に示すように、本発明による合金は、鋳鋼並みのC、Si、Sを添加したうえ、[V濃度−C濃度]を20〜24at%、かつ[Al濃度+Si濃度]を25〜30at%となるように調整することで60μV/K以上(最大84μV/K)の高いゼーベック係数となるp型鉄合金熱電材料が作製できる。また[V濃度−C濃度]を25〜32at%、かつ[Al濃度+Si濃度]を20〜24at%になるように調整することで150μV/K以上(最大185μV/K)の高いゼーベック係数となるn型鉄合金熱電材料が作製できる。
従って、本発明のp型鉄合金熱電材料において高いゼーベック係数を得るために、[V濃度−C濃度]を20at%以上25at%未満、かつ[Al濃度+Si濃度]を25at%以上30at%以下とする。更に好ましくは、[V濃度−C濃度]を20at%以上24at%以下、かつ[Al濃度+Si濃度]を25at%以上29at%以下とする。
また、本発明のn型鉄合金熱電材料において高いゼーベック係数を得るために、[V濃度−C濃度]を25at%以上32at%以下、かつ[Al濃度+Si濃度]を20at%以上25at%未満とする。更に好ましくは、[V濃度−C濃度]を26at%以上30at%以下、かつ[Al濃度+Si濃度]を21at%以上24at%以下とする。
従って、本発明の鉄合金熱電材料において低い電気抵抗率を得るために、p型熱電材料では[V濃度−C濃度]を20at%以上25at%未満、かつ[Al濃度+Si濃度]を25at%以上30at%以下とする。更に好ましくは[V濃度−C濃度]を20at%以上24at%以下、かつ[Al濃度+Si濃度]を25at%以上29at%以下とする。n型熱電材料においては[V濃度−C濃度]を25at%以上32at%以下、かつ[Al濃度+Si濃度]を20at%以上25at%未満とする。更に好ましくは[V濃度−C濃度]を26at%以上30at%以下、かつ[Al濃度+Si濃度]を21at%以上24at%以下とする。
つまり、本発明の鉄合金熱電材料によれば、優れた熱電特性を有するとともに、有害で希少な元素を用いない構成のため材料コストの低廉化が図れ、また鋳放しのみの製造工程が可能となるので工程が簡素化され、生産性を向上することができるのである。
Claims (3)
- 主にFe、V及びAlを含有し、かつ炭化物がマトリクス中に分散している鉄合金熱電材料であって、
[V濃度−C濃度]を20at%以上25at%未満、かつ[Al濃度+Si濃度]を25at%以上30at%以下とするp型鉄合金熱電材料と、
[V濃度−C濃度]を25at%以上32at%以下、かつ[Al濃度+Si濃度]を20at%以上25at%未満とするn型鉄合金熱電材料とからなることを特徴とする鉄合金熱電材料。 - C濃度が0at%を超え10at%以下、かつSi濃度が0at%を超え5at%以下とすることを特徴とする請求項1に記載の鉄合金熱電材料。
- S濃度が0at%を超え0.5at%以下とすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の鉄合金熱電材料。
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