JP5922323B2 - 複相熱電変換材料 - Google Patents
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- Powder Metallurgy (AREA)
Description
Z=S2/(κρ) 式(1)
ZT=S2T/(κρ) 式(2)
P=S2/ρ 式(3)
ηmax={(Th−Tc)/Th}{(M−1)/(M+(Tc/Th))} 式(4)
M={1+Z(Th+Tc)/2}−0.5 式(5)
式(6)中、0.5≦t≦1.5、0.5≦m≦1.5、0.5≦x≦1.5、Tは、Ti、Zr、Hf、V、Nb及びTaからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Mは、Mn、Fe、Co、Ni及びCuからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Xは、Si、Ge、Sn、Sb及びBiからなる群から選択される少なくとも一種である。
所定比率で純金属の原料をアーク溶解炉内に入れ、Arガス雰囲気中において、加熱溶解し、目的のインゴットを得る。このインゴットを真空もしくは不活性ガス雰囲気中において、1000〜1200℃の温度まで加熱し、100時間保持した後、室温まで冷却し、目的の複相熱電変換材料を得ることができる。
所定比率で純金属の原料をガスアトマイズ装置の坩堝に入れ、不活性ガス雰囲気中において、加熱溶解した後、ガスアトマイズして原材料の粉末を得る。得られた粉末をカーボンダイスに入れ、真空もしくは不活性ガス雰囲気中において、40MPa〜60MPaの圧力の下でパルス電流をかけながら600℃〜1000℃の温度まで加熱する。10分〜60分間保持した後、室温まで冷却することで目的の広い温度範囲で高い熱電性能である熱電変換材料を得ることができる。
以下、参考形態の例を付記する。
<1>
複数種類の相からなり、第1の相と、前記第1の相とは異なる種類の第2の相との体積比率が、80:20〜20:80の範囲内である複相熱電変換材料。
<2>
<1>に記載の複相熱電変換材料において、
前記複数種類の相は、Ti、Zr、Hf、V、Nb、Ta、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Si、Ge、Sn、Sb、及びBiからなる群から選択される少なくとも一種以上の元素からなる複相熱電変換材料。
<3>
<1>または<2>に記載の複相熱電変換材料において、
前記第1の相及び/又は前記第2の相が、下記式(i)で表される構造を有する複相熱電変換材料。
T t M m X x 式(i)
式(i)中、0.5≦t≦1.5、0.5≦m≦1.5、0.5≦x≦1.5、Tは、Ti、Zr、Hf、V、Nb及びTaからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Mは、Mn、Fe、Co、Ni及びCuからなる群から選択される少なくとも一種の元素であり、Xは、Si、Ge、Sn、Sb及びBiからなる群から選択される少なくとも一種である。
<4>
<1>乃至<3>いずれか一項に記載の複相熱電変換材料において、
前記第1の相及び/又は前記第2の相が、ハーフホイスラーの結晶構造を有する複相熱電変換材料。
表1に示すような所定比率になるように、純金属Ti、Zr、Hf、Ta、NiおよびSnをそれぞれ秤量して、アーク溶解炉内に入れ、Arガス雰囲気中において、加熱溶解し、目的のインゴットをそれぞれ得た。このインゴットを真空中において、1100℃の温度まで加熱し、100時間保持した後、室温まで冷却し、目的の複相熱電変換材料を得た。
実施例1
(第1の相)(Ti0.33Zr0.33Hf0.33Ta0.01)Ni1Sn1
(第2の相)(Ti0.76Zr0.12Hf0.12)Ni1Sn1
体積比率(第1の相):(第2の相)=60:40
実施例2
(第1の相)(Ti0.33Zr0.33Hf0.33Ta0.01)Ni1Sn1
(第2の相)(Ti0.76Zr0.12Hf0.12)Ni1Sn1
体積比率(第1の相):(第2の相)=65:35
実施例3
(第1の相)(Ti0.33Zr0.33Hf0.33Ta0.01)Ni1Sn1
(第2の相)(Ti0.76Zr0.12Hf0.12)Ni1Sn1
体積比率(第1の相):(第2の相)=55:45
実施例4
(第1の相)(Ti0.33Zr0.33Hf0.33Ta0.01)Ni1Sn1
(第2の相)(Ti0.76Zr0.12Hf0.12)Ni1Sn1
体積比率(第1の相):(第2の相)=50:50
比較例1
(第1の相)(Ti0.33Zr0.33Hf0.33Ta0.01)Ni1Sn1
(第2の相)(Ti0.76Zr0.12Hf0.12)Ni1Sn1
体積比率(第1の相):(第2の相)=5:95
実施例1〜実施例4と比較例1とを比較すると、図5に示すように比較例1の出力因子は実施例1〜実施例4の出力因子とほぼ同じであって大きな差がないが、図6の熱伝導率と温度との関係を見ると、比較例1の熱伝導率は実施例1〜実施例4よりかなり大きいことが分かる。これは、白色の相(第1の相)と灰色の相(第2の相)の体積比率が、5:95であり、白色の相(第1の相)による熱伝導率の低減が不充分だと考えられる。よって、比較例1の無次元性能指数ZTは小さく、500℃で0.6であった。図7より、実施例1〜実施例4のn型熱電変換材料の無次元性能指数ZTの最大値は、500℃で0.9〜1.1に達していることが分かった。図7の実施例1,3,4と実施例2を比較してみると、500℃より高い温度領域では、第1の相の比率が高くなるほど無次元性能指数ZTが高くなる傾向がみられたが、第1の相の比率が高くなりすぎると低くなる傾向があることがわかった。
Claims (1)
- ハーフホイスラーの結晶構造を有する複数種類の相からなり、第1の相と、前記第1の相とは異なる種類の第2の相との体積比率が、65:35〜50:50の範囲内であり、前記第1の相が、(Ti 0.33 Zr 0.33 Hf 0.33 Ta 0.01 )Ni 1 Sn 1 で表される構造を有し、前記第2の相が、(Ti 0.76 Zr 0.12 Hf 0.12 )Ni 1 Sn 1 で表される構造を有する複相熱電変換材料。
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