JP6390662B2 - 熱電材料の製造方法 - Google Patents
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Description
〈1〉(a)Sn粉末と第1ドーパント元素を含有する粉末とを混合して、第1混合原料を得ること、
(b)Snと前記第1ドーパント元素とが相互に拡散する温度で、前記第1混合原料を加熱して、第1凝集体を得ること、
(c)前記第1凝集体を解砕して、第1粉末を得ること、
(d)Mg粉末、Si粉末、及び前記第1粉末を混合して、第2混合原料を得ること、
(e)Mg、Si、Sn、及び前記第1ドーパント元素が相互に拡散する温度で、前記第2混合原料を加熱して、第2凝集体を得ること、
(f)前記第2凝集体を解砕して、第2粉末を得ること、及び、
(g)前記第2粉末を加圧焼結すること、
を含み、
前記第1ドーパント元素が、Al、Ag、As、Bi、Cu、Sb、Zn、P、及びBから選択される1種以上である、
熱電材料の製造方法。
〈2〉工程(d)において、前記Mg粉末、前記Si粉末、及び前記第1粉末に、さらに、第2ドーパント元素を含有する粉末を混合して、前記第2混合原料を得ること、及び
工程(e)において、Mg、Si、Sn、前記第1ドーパント元素、及び前記第2ドーパント元素が相互に拡散する温度で、前記第2混合原料を加熱して、前記第2凝集体を得ること、
を含み、
前記第2ドーパント元素が、Al、Ag、As、Bi、Cu、Sb、Zn、P、及びBから選択される1種以上である、
〈1〉項に記載の方法。
〈3〉工程(e)の前記第2混合原料を加熱する際の保持温度が、工程(b)の前記第1混合原料を加熱する際の保持温度よりも高い、〈1〉又は〈2〉項に記載の方法。
〈4〉工程(b)において、前記第1混合原料を加熱する際の保持温度が、Snの融点よりも低い、〈1〉〜〈3〉項のいずれか一項に記載の方法。
〈5〉工程(a)と工程(b)の間に、前記第1混合原料を圧縮成形することを、さらに含む、〈1〉〜〈4〉のいずれか一項に記載の方法。
〈6〉工程(d)と工程(e)の間に、前記第2混合原料を圧縮成形することを、さらに含む、〈1〉〜〈5〉項のいずれか一項に記載の方法。
Sn粉末と第1ドーパント粉末とを混合して、第1混合原料を得る。そのためには、先ず、熱電材料の組成が上述した組成を有するように、Sn粉末及び第1ドーパント粉末を秤量する。熱電材料の製造の過程で、Sn粉末及び/又は第1ドーパント粉末が、蒸発等により減耗する場合には、その減耗分を余分に秤量しておく。
Snと第1ドーパント元素とが相互に拡散する温度で、第1混合原料を加熱して、第1凝集体を得る。
第1凝集体を解砕して、第1粉末を得る。第1凝集体については、Sn粉末が凝集しており、かつ、そのSn粉末には、第1ドーパント元素が拡散している。解砕は、この凝集したSn粉末を、可能な限り、個々のSn粒子に離間することである。全てのSn粒子のうち、その一部については、1つのSn粒子が、さらに、2つ以上の破片になっていてもよい。
Mg粉末、Si粉末、及び第1粉末を混合して、第2混合原料を得る。熱電材料が上述した組成を有するように、Mg粉末、Si粉末、及び第1粉末を秤量する。混合の方法は、第1混合粉末を得るときと同様である。また、熱電材料の製造の過程で、Mg粉末、Si粉末、及び第1粉末が、蒸発等により減耗する場合には、その減耗分を余分に秤量しておく。特に、Mgは蒸気圧が高いため、減耗分を余分に秤量しておくことが望ましい。
Mg、Si、Sn、及び第1ドーパント元素が相互に拡散する温度で、第2混合原料を加熱して、第2凝集体を得る。
第2凝集体を解砕して、第2粉末を得る。第2凝集体については、Si粉末が凝集しており、かつ、そのSi粉末には、Mg、Sn、及び第1ドーパント元素が拡散している。解砕は、この凝集したSi粉末を、可能な限り、個々のSi粒子に離間することである。全てのSi粒子のうち、その一部は、さらに、1つのSi粒子を2つ以上の破片になっていてもよい。解砕方法は、第1凝集体の解砕方法と同様でよい。
このようにして得た第2粉末を、加圧焼結する。加圧焼結方法は、特に限定されない。例えば、ホットプレス焼結及び放電プラズマ焼結(SPS:Spark Plasma Sintering)が挙げられる。放電プラズマ焼結においては、温度を目標まで急速に上昇させることができる。それによって、昇温途中で、金属間化合物相等の望まない相の生成が抑制されるため、放電プラズマ焼結が好ましい。
工程(d)において、Mg粉末、Si粉末、及び第1粉末に、さらに、第2ドーパント元素を含有する粉末(以下、「第2ドーパント粉末」ということがある。)を混合して、第2混合原料を得てもよい。そして、工程(e)において、Mg、Si、Sn、第1ドーパント元素、及び第2ドーパント元素が相互に拡散する温度で、第2混合原料を加熱して、前記第2凝集体を得てもよい。
工程(e)の第2混合原料を加熱する際の保持温度が、工程(b)の第1混合原料を加熱する際の保持温度よりも高くてもよい。
上述したように、工程(b)において、Sn粉末に第1ドーパント元素が均一に分散するという観点から、第1混合原料の加熱温度としては、Sn及び第1ドーパント元素のいずれもが固相の状態で相互に拡散する温度を選択することが好ましい。すなわち、第1混合原料を加熱する際の保持温度は、Snと第1ドーパント元素が相互に拡散する温度であって、Snの融点よりも低いことが好ましい。
工程(a)と工程(b)の間に、第1混合原料を圧縮成形することを、さらに含んでもよい。
工程(d)と工程(e)の間に、前記第2混合原料を圧縮成形することを、さらに含んでもよい。
実施例1の試料を次のように作製した。
Sn粉末、Mg粉末、Si粉末、及びZn粉末を、表1及び表2に示す質量で秤量したこと以外、実施例1と同様にして、実施例2の熱電材料を作製した。表1に目標組成を、表2に仕込み組成を示す。仕込み組成とは、実際に秤量した各粉末の質量及びモル比のことをいう。なお、表1及び表2には、実施例2以外に、既に説明した実施例1、並びに、これから説明する実施例3〜5及び比較例1〜5についても、目標組成と仕込み組成を示した。
Zn粉末をAl粉末に代え、Mg粉末、Si粉末、Sn粉末、及びAl粉末を、表1に示した質量で秤量し、かつ第1圧粉体を図10のパターンで加熱したこと以外、実施例1と同様にして、実施例3〜5の熱電材料を作製した。Al粉末については、高純度化学研究所製のALE11PB(純度99.9%(3N)、平均粒径約3μm)を使用した。なお、図10に示したように、保持温度は180℃であり、その保持時間は3時間であった。Sn−Alの二元系平衡状態図で、共晶温度は230℃であるため、Sn粉末にAlが固相拡散したと考えられる。
第1混合材料及び第1圧粉体を作製せず、Mg粉末、Si粉末、Sn粉末、及びZn粉末を同時に混合して第2混合原料を得て、第2混合原料を圧縮成形して第2圧粉体を得たこと以外、実施例1と同様にして、比較例1〜3の熱電材料を作製した。
Zn粉末をAl粉末に代え、Mg粉末、Si粉末、Sn粉末、及びZn粉末を、表1に示した質量で秤量したこと以外、比較例1と同様にして、比較例4〜5の熱電材料を作製した。
実施例1〜5及び比較例1〜5の熱電材料について、次に説明するように、これらの特性、特にZTを評価した。
実施例1〜5及び比較例1〜5の熱電材料から、厚さが2mmで、大きさが2mm×9mmの試験片を採取して、これらを研磨し、比抵抗及びゼーベック係数を測定した。測定には、アドバンス理工株式会社製、熱電特性評価装置ZEM−3を用いた。比抵抗及びゼーベック係数ともに、測定は、500℃で行った。
上述したゼーベック係数及び比抵抗の測定値から、500℃におけるパワーファクタPfを算出した。算出式は、次のとおりである。
(パワーファクタPf)=(ゼーベック係数)2/(比抵抗)
実施例1〜5及び比較例1〜5の熱電材料から、厚さが2.1mmで、大きさが2.1mm×2.1mmの試験片を採取し、熱拡散率を測定した。測定には、NETZSCH社製、LFA457 MicroFlashを用いた。
実施例1〜5及び比較例1〜5の熱電材料の密度をアルキメデス法で測定した。測定は常温で行った。
実施例1〜5及び比較例1〜5の熱電材料から、厚さが2.1mmで、大きさが2.1mm×2.1mmの試験片を採取し、比熱を測定した。測定には、TA Instruments社製、DSC Q100を用いた。測定は、500℃で行った。
上述した熱拡散率、密度、及び比熱の測定値から、500℃における熱伝導率を算出した。
(熱伝導率)=(熱拡散率)×(密度)×(比熱)
上述したパワーファクタPf及び熱伝導率の算出値から、500℃におけるZTを、さらに算出した。算出式は、次のとおりである。
(ZT)=((パワーファクタPf)/(熱伝導率))×(絶対温度T)
12 カーボンルツボ
14 石英管
16 開閉弁
18 ステンレス製耐圧容器
Claims (6)
- (a)Sn粉末と第1ドーパント元素を含有する粉末とを混合して、第1混合原料を得ること、
(b)Snと前記第1ドーパント元素とが相互に拡散する温度で、前記第1混合原料を加熱して、第1凝集体を得ること、
(c)前記第1凝集体を解砕して、第1粉末を得ること、
(d)Mg粉末、Si粉末、及び前記第1粉末を混合して、第2混合原料を得ること、
(e)Mg、Si、Sn、及び前記第1ドーパント元素が相互に拡散する温度で、前記第2混合原料を加熱して、第2凝集体を得ること、
(f)前記第2凝集体を解砕して、第2粉末を得ること、及び、
(g)前記第2粉末を加圧焼結すること、
を含み、
前記第1ドーパント元素が、Al、Ag、As、Bi、Cu、Sb、Zn、P、及びBから選択される1種以上である、
熱電材料の製造方法。 - 工程(d)において、前記Mg粉末、前記Si粉末、及び前記第1粉末に、さらに、第2ドーパント元素を含有する粉末を混合して、前記第2混合原料を得ること、及び、
工程(e)において、Mg、Si、Sn、前記第1ドーパント元素、及び前記第2ドーパント元素が相互に拡散する温度で、前記第2混合原料を加熱して、前記第2凝集体を得ること、
を含み、
前記第2ドーパント元素が、Al、Ag、As、Bi、Cu、Sb、Zn、P、及びBから選択される1種以上である、
請求項1に記載の方法。 - 工程(e)の前記第2混合原料を加熱する際の保持温度が、工程(b)の前記第1混合原料を加熱する際の保持温度よりも高い、請求項1又は2に記載の方法。
- 工程(b)において、前記第1混合原料を加熱する際の保持温度が、Snの融点よりも低い、請求項1〜3のいずれか一項に記載の方法。
- 工程(a)と工程(b)の間に、前記第1混合原料を圧縮成形することを、さらに含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の方法。
- 工程(d)と工程(e)の間に、前記第2混合原料を圧縮成形することを、さらに含む、請求項1〜5のいずれか一項に記載の方法。
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