JP6460225B2 - 熱電変換材料およびその製造方法 - Google Patents
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Description
排熱のエネルギー利用を考えた時、排熱はさまざまな場面で生じるため、設置形態に関する汎用性の高い発電システムが必要となる。その有力な候補技術として熱電変換技術が挙げられる。
熱電変換モジュールの最大出力Pは、モジュールに流入する熱流量と熱電変換材料の変換効率ηの積で決定される。熱流量は、熱電変換材料に適したモジュール構造に依存する。また、変換効率ηは熱電変換材料の無次元の性能指数ZTに依存する。性能指数ZTは、ZT={S2/(κρ)}T(ここで、S:ゼーベック係数、ρ:電気抵抗率、κ:熱伝導率、T:温度)で表わされる。したがって、熱電変換モジュールの最大出力Pを向上させるためには、熱電変換材料のゼーベック係数Sを増加させ、また電気抵抗率ρと熱伝導率κを減少させることが望ましい。
フルホイスラー合金の性能指数ZTが低い主な原因は、その熱伝導率の高さによる。フルホイスラー合金の熱伝導率が高い原因は、(i)電気抵抗率が低い為に電子を媒体とした熱伝導がよいこと、(ii)フォノンの平均自由行程が長い為、格子振動を介した熱伝導がよいこと、が挙げられる。
(i)の電子由来の熱伝導を低減することは、フルホイスラー合金の熱電変換特性を決定づける電子状態に由来するため意図的に変調することは好ましくない。一方、(ii)の格子振動に由来する熱伝導率を低減することは、合金の組織構造を制御することで可能である。特に合金の結晶粒の平均粒径を小さくすることで熱伝導率を低減させることが知られている。
また、非特許文献2では、Fe2VAl系のフルホイスラー合金からなる熱電変換材料が開示されている。記載される製造条件からすれば、結晶粒の平均粒径(以下、単に、結晶粒径ということがある)が200nmよりも小さい熱電変換材料である。
また、特許文献1では、フルホイスラー合金の結晶構造を有するFe2(TiV)(AlSi)系からなる熱電変換材料を開示している。
よって、性能指数ZTを大きくするためには、結晶粒径の微細化による熱伝導率κを小さくすることと併せて、ゼーベック係数Sの低下を抑制するか、電気抵抗率ρの増加を抑制するか、若しくは、その両方とするか、いずれかが可能な条件を見つけることが必要である。
前記フルホイスラー合金の平均の結晶粒径が、35nm以上200nm以下であることが好ましく、40nm以上150nm以下であることがなお好ましい。
また、前記Fe2TiA系の組成は、組成式Fe2+σTi1+yA1+zで表わされるフルホイスラー合金であって、Fe−Ti−Aの三元合金状態図において、at%で、(Fe、Ti、A)=(50、37、13)、(45、30、25)、(39.5、25、35.5)、(50、14、36)、(54、21、25)、(55.5、25、19.5)で囲まれた領域α内となるようなσ、y、zを有することが好ましい。
さらに、前記の組成式Fe2+σTi1+yA1+zで表わされるフルホイスラー合金は、Fe−Ti−Aの三元合金状態図において、at%で、(Fe、Ti、A)=(50、35、15)、(47.5、27.5、25)、(40、25、35)、(50、17、33)、(52.2、22.8、25)、(52.8、25、22.2)で囲まれた領域β内となるようなσ、y、zを有することが好ましい。
さらに、前記の組成式Fe2+σTi1+yA1+zで表わされるフルホイスラー合金は、Fe−Ti−Aの三元合金状態図において、at%で、(Fe、Ti、A)=(50、32.6、17.4)、(49.2、25.8、25)、(43.9、25、31.1)、(50、23、27)、(51、24、25)、(51、25、24)で囲まれた領域γ内となるようなσ、y、zを有することが好ましい。
前記組成式Fe2+σTi1+yA1+zで表わされるフルホイスラー合金は、前記Ti及びAが元素M及び元素Nによりそれぞれ化学量論組成から組成変調されて、組成式Fe2+σ(Ti1−xMx)1+y(A1−wNw)1+zで表わされ、この時VECはσ, x, y, w, zの関数として表され、VEC(σ, x, y, w, z)=[8×(2+σ)+{4×(1−x)+(Mの価電子数)×x}×(1+y)+{4×(1−w)+(Nの価電子)×w}×(1+z)]/4であり、
σ={(前記領域α、γ、βのいずれかにおけるFeのat%)−50}/25
y={(前記領域α、γ、βのいずれかにおけるTiのat%)−25}/25
z={(前記領域α、γ、βのいずれかにおけるSiのat%)−25}/25
であり、VECの変化量ΔVECが、
ΔVEC=VEC(σ,x,y,w,z)−VEC(σ,0,y,0,z)
と表され、
0<|ΔVEC|≦0.2となるようなx、wを有するものを採用することができる。
前記元素M及び元素Nは、Cu、Nb、V、Al、Ta、Cr、Mo、W、Hf、Ge、Ga、In、P、B、BiおよびZrのうち少なくとも1つとすることができる。
前記元素MはVであり、置換量xは、|x|≦0.25とすることができる。
まず、フルホイスラー合金からなる熱電変換材料の変換性能を向上させる原理について説明する。X2YZ系合金からなるフルホイスラー合金は、いわゆる擬ギャップと呼ばれる電子状態をもつ。この擬ギャップが熱電変換性能とどう関係するかを説明するため、一般に熱電変換性能と電子状態の関係を説明する。
性能指数ZTは、上記のように、下記数1で与えられる。ここで、Sは、ゼーベック係数であり、ρは、電気抵抗率であり、κは、熱伝導率であり、Tは温度である。
一方、電気抵抗率ρは、下記数3に表されるような関係をもつ。
さらに好ましい範囲は35nm以上200nm以下であり、さらに好ましい範囲は40nm以上150nm以下である。
アモルファス化されたFe2TiA系の原料を製造する手段として、メカニカルアロイングや、原料を溶解した後に超急冷する方法等が採用できる。アモルファス化したものが粉末状でない場合は、水素脆化し酸化が防止される様な環境下で粉砕する手段を採用しても良い。
ここでアモルファスの材料組織は完全なアモルファスに限らず長距離秩序や短距離秩序を有するアモルファスでも良い。また、微細な粉末と粗大な粉末が混合したアモルファス粉末でも良い。
熱処理と焼結を同時に行うこともできる。具体的には、アモルファス化した合金粉末をカーボンダイスあるいはタングステンカーバイドのダイスに入れ、不活性ガス雰囲気中において、40MPa〜5GPaの圧力の下でパルス電流をかけながら焼結する方法が採用できる。温度条件として、550℃以上700℃以下の温度まで昇温し、最高温度で0.05時間以上3時間以下保持し、その後、室温まで冷却することが好ましい。
成形は加圧成型等の既知の手段を採用できる。
焼結は磁場中で行い、磁場配向させた焼結体を得ることもできる。また、加圧成型と焼結を同時に行うこともできる。その手段として放電プラズマ焼結を用いることができる。
このVが置換された組成、または、Cuが含有された組成とすることで、熱電変換特性をさらに高めることができる。
この時、フルホイスラー合金の結晶粒径は、30nm以上140nm以下とすることが好ましい。
フルホイスラー合金の熱電変換特性を決定する擬ギャップ構造には、フラットバンドという特徴的なバンド構造が存在し、熱電変換特性を決める要因の一つとなっている。
つまり、フラットバンドがフェルミ準位Ef近傍に近いほど、フェルミ準位近傍の状態密度を急峻に変化させることができる。これにより、熱電変換特性、特にゼーベック係数Sが向上する。また、擬ギャップのギャップ値を小さく制御出来るため、電気抵抗率が増大しないという利点がある。
図3(a),(b)に示すように、Fe2VAl合金よりもFe2TiA合金の方が、フラットバンドがフェルミ準位EF近傍に近いことが分る。
例えば、Fe2TiSiの場合、鉄(Fe)の価電子数は8であり、チタン(Ti)の価電子数は4であり、シリコン(Si)の価電子数は4である。また、Fe2TiSiの場合、ユニットセル内の鉄(Fe)の原子数は2個であり、ユニットセル内のチタン(Ti)の原子数は1個であり、ユニットセル内のシリコン(Si)の原子数は1個である。そのため、Fe2VAl中の総価電子数Zは、Z=8×2+4×1+4×1=24と計算され、ユニットセル内の原子数aは、a=2+1+1と計算され、原子一個当たりの価電子数VECは、VEC=Z/a=6と計算される。
化合物の組成比を変化させた時、VECの値は増減する。VECの増減は前述の固定バンドモデル(rigid band model)における電子ドープとホールドープと近似的には同等であることが知られており、VECの制御によりゼーベック係数Sの値や極性を変化させることが出来る。
具体的には、VECが6未満の時ホールドープとみなす事が出来る為、p型の熱電変換材料となる。一方でVECを6以上にするとn型の熱電変換材料となる。さらにVECを6付近で連続的に変化させた先行例から、VEC付近にp型、n型それぞれでゼーベック係数の極大値を取ることが分かっている。
具体的には32原子系を仮定し化学量論組成Fe16Ti8Si8から原子を1個単位で互いに置換した組成での電子状態を計算している。図4B〜図4Gは、図4B:Fe16Ti7Si9、図4C:Fe16Ti9Si7、図4D:Fe15Ti8Si9、図4E:Fe15Ti9Si8、図4F:Fe17Ti7Si8、図4G:Fe17Ti8Si7で電子状態の計算結果を示したものである。
なお、図4A〜Gは、AとしてSiを用いた計算結果であるが、Siに代えてSnを用いても同様の計算結果である。また、Siに代えてSiSnとしても同様の計算結果である。
この実用的なZTが得られる、ゼーベック係数|S|=100uV/Kを越える範囲はVECの中心値に対するVECの変化量(以後、ΔVEC)に対して所定の範囲を有する。ΔVECは、TiやAを別の元素で置換することで変化させることができる。
前記組成式Fe2+σTi1+yA1+zで表わされるフルホイスラー合金は、前記Ti及びAが元素M及び元素Nによりそれぞれ化学量論組成から組成変調されて、組成式Fe2+σ(Ti1−xMx)1+y(A1−wNw)1+zで表わされ、
この時VECはσ, x, y, w, zの関数として表され、
VEC(σ, x, y, w, z)=[8×(2+σ)+{4×(1−x)+(Mの価電子数)×x}×(1+y)+{4×(1−w)+(Nの価電子)×w}×(1+z)]/4
であり、
σ={(図5の領域(α、β、γのいずれか)内のFeのat%)−50}/25
y={(図5の領域(α、β、γのいずれか)内のTiのat%)−25}/25
z={(図5の領域(α、β、γのいずれか)内のAのat%)−25}/25
でありVECの変化量ΔVECが、
ΔVEC=VEC(σ, x, y, w, z)−VEC(σ,0,y,0,z)
と表せる。
以下の方法により、本発明の熱電変換材料を作製した。
材料としてFe、Ti、V、Siを用い、Tiの一部をVで置換した、表1のFe2TiSi系合金組成となるように各原料を秤量した。
この原料を、不活性ガス雰囲気中において、SUS容器の中に入れ、10mm直径のSUSボールと混合する。次いで、メカニカルアロイングを遊星ボールミル装置にて行い、その公転回転速度の条件を200rpm〜500rpmの範囲で変えて20h以上実施し、アモルファス化した合金粉末を得た。このアモルファス化した合金粉末をカーボンダイスあるいはタングステンカーバイドのダイスに入れ、不活性ガス雰囲気中において、40MPa〜5GPaの圧力の下でパルス電流をかけながら焼結した。その温度条件は550〜700℃の温度まで昇温し、最高温度で3分〜180分間保持した。その後、室温まで冷却することにより、表1に示す熱電変換材料を得た。
得られた熱電変換材料の結晶粒径は、透過型電子顕微鏡(TEM)とX線回折装置(X‐ray diffraction:XRD)によって評価した。また熱伝導率κは、熱拡散率をレーザーフラッシュ法で測定し、比熱を示唆走査熱量測定(DSC)によって測定することで算出し。また電気抵抗率ρ、ゼーベック係数Sは、アルバック理工社製の熱電特性評価装置(装置名:ZEM)で測定した。
得られた測定結果を表1に示す。表1は、実施例1−2〜1−7、および比較例1−1、1−8の測定結果を示す。
本発明の熱電変換材料であるNo.1−2〜1−7は、結晶粒径が39.3nm〜130.6nmの範囲に有り、いずれの実施例においても性能指数ZTが0.1を超えており、後述のFe2VAl系合金からなる熱電変換材料よりも高い性能指数ZTが得られた。またその中で、結晶粒径が64.3nm以上のNo.1−3〜1−7は、性能指数ZTが0.3を超えていた。
対して、結晶粒径が21.7nmと小さいNo.1−1は、性能指数ZTが0.0017であり、Fe2VAl系合金の従来材よりも性能指数ZTが低かった。また、結晶粒径が1000nmのNo.1−8は、性能指数ZTが0.0026であり、これも従来材よりも性能指数ZTは低かった。
このように、本発明の熱電変換材料は、結晶粒径を39.3nm〜130.6nmとすることで性能指数が向上することが分った。
なお、結晶粒径が500nmであっても従来よりも高い性能指数ZTを持つ熱電変換材料が得られた。
Siの一部をSnに置換して本発明の熱電変換材料を作製した。
材料としてFe、Ti、V、Si、Snを用い、Tiの一部をVで置換した、表2のFe2Ti(Si・Sn)系合金組成となるように各原料を秤量した。
以降は実施例1と同様にして作製し、表2に示す熱電変換材料を得た。この熱電変換材料の結晶粒径は51.8nmであった。
得られた測定結果を表2に示す。性能指数ZTは0.25と従来材と比較して大きい熱電変換材料が得られた。
組成をCuかVの少なくともどちらかを用いた、表3、表4に示す組成とし、それ以外は、実施例1と同様にして熱電変換材料を作製した。
表3は、実施例3−1〜3−11の測定結果を示す。表4は、実施例3−12〜3−20の測定結果を示す。
このうち、CuとVが用いられた「Fe−Cu−Ti−V−Si」と「Fe−Cu−Ti−V−Si−Sn」の本実施例の熱電変換材料は、Cuが含有されていないNo.1−2〜1−7および実施例3−1の「Fe−Ti−V−Si」の熱電変換材料に比べ、性能指数ZTが高い。したがって、高い熱電変換特性を得るためには、Cuが含有、またはVが置換されていることがより好ましいことが分かる。又、元素AとしてSi及びSnを用いたNo.3−12〜3−20の「Fe−Cu−Ti−V−Si−Sn」よりも、Siのみを用いたNo.3−1〜3−11の「Fe−Cu−Ti−V−Si」の方が、結晶粒径が36.67nm以上48.78nm以下の範囲で、性能指数ZTが高くなることが分る。
なお、Vを用いないで、組成全体を100at%として、Cuが0.5at%以上1.6at%以下の範囲で含有された場合でも、Vで置換したものほどではないが、性能指数が高まることが確認できた。
熱電変換材料として、Fe2+σ(Ti1−xMx)1+y(Si1−wNw)1+zで表される表5に示す組成のものを作製した。
材料としてFe、Ti、Si、Vを用い、表5の組成となるように各原料を秤量した。
この原料を、不活性ガス雰囲気中において、SUS容器の中に入れ、10mm直径のSUSボールと混合する。次いで、メカニカルアロイングを遊星ボールミル装置にて行い、その公転回転速度の条件を200rpm〜500rpmの範囲で変えて20h以上実施し、アモルファス化した合金粉末を得た。このアモルファス化した合金粉末をカーボンダイスあるいはタングステンカーバイドのダイスに入れ、不活性ガス雰囲気中において、40MPa〜5GPaの圧力の下でパルス電流をかけながら焼結した。その温度条件は550〜700℃の温度まで昇温し、最高温で3分〜180分間保持した。その後、室温まで冷却することにより、目的の熱電変換材料を得た。
得られた熱電変換材料の結晶粒径は、透過型電子顕微鏡(TEM)とX線回折装置(XRD)によって評価した。また、熱伝導率κは熱拡散率をレーザーフラッシュ法で測定し、比熱をDSCによって測定する事で得ている。また電気抵抗率ρ、ゼーベック係数Sは、上述と同様、アルバック理工社製のZEMで測定した。
いずれの組成においても、優れたゼーベック係数Sを有し、熱電変換材料として有望な組成であることが判る。
つまりこの実施例から0<|ΔVEC|≦0.2とすればVECは最適値となる。
本実施例では置換材料にVを用いたが、それ以外にCu、Nb、Al、Ta、Cr、Mo、W、Hf、Ge、Ga、In、P、B、BiおよびZrのうち少なくともいずれか1つをN、Mの置換元素として選定し、0<|ΔVEC|≦0.2となる様に合金組成x、wと置換材料M、Nの組み合わせを選ぶことでもゼーベック係数Sを向上させる効果がある。但し、Vを置換材料として用いることが特に効果が認められ、その置換量xは|x|≦0.25が好ましい。
また、これらの置換材料を用いる場合、置換材料の組成比の合計は、Tiの組成比よりも小さくなるように構成することが望ましい。これら置換材料の組成比の方が大きくなると、もはや図3(b)で説明したFe2TiA系合金としての範囲を逸脱してしまうからである。さらに、置換元素のみでVECコントロールを行う場合は、Fe2+σ(Ti1−xMx)1+y(A1−wNw)1+zで表わされる組成式を、σ, x, y, w, zを用いたVECの関数として、以下のように表し
VEC(σ, x, y, w, z)=[8×(2+σ)+{4×(1−x)+(Mの価電子数)×x}×(1+y)+{4×(1−w)+(Nの価電子)×w}×(1+z)]/4、
σ={(前記領域α、β、γのいずれかにおけるFeのat%)−50}/25、
y={(前記領域α、β、γのいずれかにおけるTiのat%)−25}/25、
z={(前記領域α、β、γのいずれかにおけるAのat%)−25}/25、
VECの変化量ΔVECが、
ΔVEC=VEC(σ,x,y,w,z)−VEC(σ,0,y,0,z)と表された時に、0<|ΔVEC|≦0.2となるようなx、wを有するように、置換元素によるVECの寄与の合計を計算する事が望ましい。
また、結晶化における発熱量Q(calorific value)と粒子径(Grain size 結晶粒径)の関係を図9(b)に示す。発熱量Qの増減により結晶粒径を数十nmオーダーの大きさで制御可能であることが分かる。
Claims (12)
- p型或いはn型を有するフルホイスラー合金であって、
前記フルホイスラー合金は、Fe2TiA(但し、AはSi、Snから選択される少なくとも一種)系の組成を有し、
かつ、結晶粒の平均粒径が30nm以上500nm以下であり、
前記Fe2TiA系の組成は、組成式Fe2+σTi1+yA1+zで表わされるフルホイスラー合金であって、Fe−Ti−Aの三元合金状態図において、at%で、(Fe、Ti、A)=(50、37、13)、(50、14、36)、(45、30、25)、(39.5、25、35.5)、(54、21、25)、(55.5、25、19.5)で囲まれた領域α内となるようなσ、y、zを有し、
前記組成式Fe2+σTi1+yA1+zで表わされるフルホイスラー合金は、前記Ti及びAが元素M及び元素Nによりそれぞれ化学量論組成から組成変調されて、組成式Fe2+σ(Ti1−xMx)1+y(A1−wNw)1+zで表わされ、
この時VECはσ,x,y,w,zの関数として表され、
VEC(σ,x,y,w,z)=[8×(2+σ)+{4×(1−x)+(Mの価電子数)×x}×(1+y)+{4×(1−w)+(Nの価電子)×w}×(1+z)]/4であり、
σ={(前記領域αにおけるFeのat%)−50}/25
y={(前記領域αにおけるTiのat%)−25}/25
z={(前記領域αにおけるAのat%)−25}/25
であり、VECの変化量ΔVECが、
ΔVEC=VEC(σ,x,y,w,z)−VEC(σ,0,y,0,z)
と表され、
0<|ΔVEC|≦0.2となるようなx、wを有する、
ことを特徴とする熱電変換材料。 - 請求項1記載の熱電変換材料において、
前記フルホイスラー合金の結晶粒の平均粒径が、35nm以上200nm以下であることを特徴とする熱電変換材料。 - 請求項1記載の熱電変換材料において、
前記組成式Fe2+σTi1+yA1+zで表わされるフルホイスラー合金は、Fe−Ti−Aの三元合金状態図において、at%で、(Fe、Ti、A)=(40、25、35)、(47.5、27.5、25)、(50、17、33)、(50、35、15)、(52.8、25、22.2)、(52.2、22.8、25)で囲まれた領域β内となるようなσ、y、zを有し、
σ={(前記領域βにおけるFeのat%)−50}/25
y={(前記領域βにおけるTiのat%)−25}/25
z={(前記領域βにおけるAのat%)−25}/25
であることを特徴とする熱電変換材料。 - 請求項1または3に記載の熱電変換材料において、
前記組成式Fe2+σTi1+yA1+zで表わされるフルホイスラー合金は、Fe−Ti−Aの三元合金状態図において、at%で、(Fe、Ti、A)=(43.9、25、31.1)、(49.2、25.8、25)、(50、23、27)、(50、32.6、17.4)、(51、25、24)、(51、24、25)で囲まれた領域γ内となるようなσ、y、zを有し、
σ={(前記領域γにおけるFeのat%)−50}/25
y={(前記領域γにおけるTiのat%)−25}/25
z={(前記領域γにおけるAのat%)−25}/25
であることを特徴とする熱電変換材料。 - 請求項1乃至4のいずれか一項に記載の熱電変換材料において、
組成全体を100at%として、Vが0at%超5.0at%以下の範囲で、前記組成式のTiと置換されていることを特徴とする熱電変換材料。 - 請求項1乃至5のいずれか一項に記載の熱電変換材料において、
組成全体を100at%として、Cuが0.5at%以上1.6at%以下の範囲で含有されていることを特徴とする熱電変換材料。 - 請求項5または6に記載の熱電変換材料において、
前記フルホイスラー合金の結晶粒の平均粒径は、30nm以上140nm以下である、
熱電変換材料。 - 請求項1記載の熱電変換材料において、
前記元素M及び元素Nは、Cu、Nb、V、Al、Ta、Cr、Mo、W、Hf、Ge、Ga、In、P、B、BiおよびZrのうち少なくとも1つであることを特徴とする熱電変換材料。 - 請求項8記載の熱電変換材料において、
前記元素MはVであり、置換量xは、|x|≦0.25であることを特徴とする熱電変換材料。 - p型或いはn型を有するフルホイスラー合金の製造方法であって、
Fe2TiA(但し、AはSi、Snから選択される少なくとも一種)系の組成からなる原料を用意し、
前記原料をアモルファス化した合金とし、
その後、加熱して結晶粒の平均粒径が30nm以上500nm以下とし、
前記Fe2TiA系の組成からなる原料は、組成式Fe2+σTi1+yA1+zで表わされるフルホイスラー合金であって、Fe−Ti−Aの三元合金状態図において、at%で、(Fe、Ti、A)=(50、37、13)、(50、14、36)、(45、30、25)、(39.5、25、35.5)、(54、21、25)、(55.5、25、19.5)で囲まれた領域α内となるようなσ、y、zを有し、
前記組成式Fe2+σTi1+yA1+zで表わされるフルホイスラー合金は、前記Ti及びAが元素M及び元素Nによりそれぞれ化学量論組成から組成変調されて、組成式Fe2+σ(Ti1−xMx)1+y(A1−wNw)1+zで表わされ、
この時VECはσ,x,y,w,zの関数として表され、
VEC(σ,x,y,w,z)=[8×(2+σ)+{4×(1−x)+(Mの価電子数)×x}×(1+y)+{4×(1−w)+(Nの価電子)×w}×(1+z)]/4であり、
σ={(前記領域αにおけるFeのat%)−50}/25
y={(前記領域αにおけるTiのat%)−25}/25
z={(前記領域αにおけるAのat%)−25}/25
であり、VECの変化量ΔVECが、
ΔVEC=VEC(σ,x,y,w,z)−VEC(σ,0,y,0,z)
と表され、
0<|ΔVEC|≦0.2となるようなx、wを有する、
ことを特徴とする熱電変換材料の製造方法。 - 請求項10に記載の熱電変換材料の製造方法において、
原料全体を100at%として、Vが0at%超5.0at%以下の範囲で、前記組成式のTiと置換されていることを特徴とする熱電変換材料の製造方法。 - 請求項10または11に記載の熱電変換材料の製造方法において、
組成全体を100at%として、Cuが0.5at%以上1.6at%以下の範囲で含有されていることを特徴とする熱電変換材料の製造方法。
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