JP7028076B2 - Manufacturing method of p-type thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion module and p-type thermoelectric conversion material - Google Patents

Manufacturing method of p-type thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion module and p-type thermoelectric conversion material Download PDF

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Description

本発明は、p型熱電変換材料、熱電変換モジュール及びp型熱電変換材料の製造方法に関する。 The present invention relates to a p-type thermoelectric conversion material, a thermoelectric conversion module, and a method for manufacturing a p-type thermoelectric conversion material.

排熱エネルギーを電力に変換する技術として、熱電変換モジュールが知られており、特に、300℃以下の温度域での排熱回収に適応可能な熱電変換材料の代表的なものとして、Fe-V-Al系フルホイスラー合金やBi-Te系半導体が挙げられる。中でもFe-V-Al系フルホイスラー合金は、Bi-Te系半導体と比較して、毒性が低く環境負荷の小さい材料として知られている。 A thermoelectric conversion module is known as a technique for converting exhaust heat energy into electric power, and in particular, Fe-V is a typical thermoelectric conversion material applicable to exhaust heat recovery in a temperature range of 300 ° C. or lower. -Al-based full-Wheeler alloys and Bi-Te-based semiconductors can be mentioned. Among them, Fe—V—Al-based full-Wheeler alloys are known as materials having lower toxicity and less environmental load than Bi—Te-based semiconductors.

一般に、熱電変換モジュールは、n型の熱電変換材料とp型の熱電変換材料とが組み合わされて構成される。このため、熱電変換モジュールにおいて高い熱電変換特性を得るためには、n型とp型の双方において、高い性能指数ZTを得ることが求められる。現状では、p型の熱電変換材料の性能指数ZTは、n型と比較して低いため、その値の向上が求められている。 Generally, a thermoelectric conversion module is configured by combining an n-type thermoelectric conversion material and a p-type thermoelectric conversion material. Therefore, in order to obtain high thermoelectric conversion characteristics in the thermoelectric conversion module, it is required to obtain a high figure of merit ZT in both n-type and p-type. At present, the figure of merit ZT of the p-type thermoelectric conversion material is lower than that of the n-type, so improvement of the value is required.

特許文献1では、毒性が低く、かつTe等の高コストな元素を用いずに埋蔵量の多いFe(鉄)、Ti(チタン)、Si(シリコン)を含む材料のみを用いて作製でき、高い性能指数ZTを得られる熱電変換材料として、Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金が提案されている。
また、特許文献2では、バインダー樹脂中に熱電材料粒子を分散させ、またその熱電材料粒子表面に金属微粒子を形成した熱電材料により、熱電特性を維持しながら可撓性かつ薄型の材料に形成する技術が提案されている。
In Patent Document 1, it can be produced by using only a material containing Fe (iron), Ti (titanium), and Si (silicon), which has a low toxicity and a large reserve without using a high-cost element such as Te, and is high. A Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy has been proposed as a thermoelectric conversion material capable of obtaining a performance index ZT.
Further, in Patent Document 2, the thermoelectric material particles are dispersed in the binder resin, and the thermoelectric material having metal fine particles formed on the surface of the thermoelectric material particles is formed into a flexible and thin material while maintaining the thermoelectric characteristics. Technology has been proposed.

国際公開第2016/185852号International Publication No. 2016/185852 特表2012-523121号公報Special Table 2012-523121 Gazette

特許文献1では、Fe:Ti:Si=2:1:1を中心とする組成比を有するFe-Ti-Si系フルホイスラー合金において、n型でZTが最大で0.98の熱電変換特性を有する熱電変換材料が記載されているが、p型の熱電変換材料に関しては、そのような高いZTが得られる旨の開示は無い。 In Patent Document 1, in a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy having a composition ratio centered on Fe: Ti: Si = 2: 1: 1, the n-type and ZT have a maximum thermoelectric conversion characteristic of 0.98. Although the thermoelectric conversion material to be possessed is described, there is no disclosure that such a high ZT can be obtained for the p-type thermoelectric conversion material.

特許文献2は、バインダー中に熱電変換材料粒子と金属微粒子を複合化させた熱電変換材料を用いることにより、複合化前と比較してZTが向上する技術を開示している。この技術では、焼結法を用いずにバインダーで成形しているため、電気抵抗率が非常に高く、ZTは最大でも0.0001であり、十分な熱電変換特性が得られない。 Patent Document 2 discloses a technique in which ZT is improved as compared with before compounding by using a thermoelectric conversion material in which thermoelectric conversion material particles and metal fine particles are composited in a binder. In this technique, since it is molded with a binder without using a sintering method, the electrical resistivity is very high, the ZT is 0.0001 at the maximum, and sufficient thermoelectric conversion characteristics cannot be obtained.

そこで、本発明の目的は、高い熱電変換特性を得られるp型熱電変換材料、熱電変換モジュール、及びp型熱電変換材料の製造方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a p-type thermoelectric conversion material, a thermoelectric conversion module, and a method for manufacturing a p-type thermoelectric conversion material, which can obtain high thermoelectric conversion characteristics.

本発明の一態様に係るp型熱電変換材料は、Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金である母相と、第2相Mとを含み、第2相Mが母相中に分散されており、第2相Mの平均粒径が母相の平均粒径よりも小さく、かつ50nm以下であり、前記第2相Mの含有量xが0at%<x<2.5at%である。 The p-type thermoelectric conversion material according to one aspect of the present invention contains a matrix phase which is a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy and a second phase M, and the second phase M is dispersed in the matrix phase. The average particle size of the second phase M is smaller than the average particle size of the parent phase and is 50 nm or less, and the content x of the second phase M is 0 at% <x <2.5 at%.

本発明の一態様に係る熱電変換モジュールは、複数の熱電変換素子と、前記熱電変換素子の間を電気的に接続する電極とを有する熱電変換モジュールであって、前記熱電変換素子は
p型熱電変換素子と、このp型熱電変換素子と接続されたn型熱電変換素子を含み、前記p型熱電変換素子は、Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金である母相と、第2相Mとを含み、前記第2相Mが前記母相中に分散されており、前記第2相Mの平均粒径が前記母相の平均粒径よりも小さく、かつ50nm以下であり、前記第2相Mの含有量xが0at%<x<2.5at%である。
The thermoelectric conversion module according to one aspect of the present invention is a thermoelectric conversion module having a plurality of thermoelectric conversion elements and electrodes for electrically connecting the thermoelectric conversion elements, and the thermoelectric conversion element is a p-type thermoelectric conversion element. The p-type thermoelectric conversion element includes a conversion element and an n-type thermoelectric conversion element connected to the p-type thermoelectric conversion element. The second phase M is dispersed in the mother phase, and the average particle size of the second phase M is smaller than the average particle size of the mother phase and is 50 nm or less, and the second phase. The content x of M is 0 at% <x <2.5 at%.

本発明の一態様に係るp型熱電変換材料の製造方法は、Fe原料粉末、Ti原料粉末、Si原料粉末、及びM原料粉末を混合してFe、Ti、Si及びMを含む混合物を生成する工程と、該混合物のうち、Fe、Ti、Siをアモルファス化して、MがFe-Ti-Si系アモルファス合金中にMの結晶構造を維持したまま分散している合金とする工程と、前記合金を加熱して、熱電変換材料のp型熱電変換材料を製造することにある。 The method for producing a p-type thermoelectric conversion material according to one aspect of the present invention mixes Fe raw material powder, Ti raw material powder, Si raw material powder, and M raw material powder to produce a mixture containing Fe, Ti, Si, and M. A step, a step of amorphizing Fe, Ti, and Si in the mixture to form an alloy in which M is dispersed in an Fe—Ti—Si based amorphous alloy while maintaining the crystal structure of M, and the alloy. Is to be heated to produce a p-type thermoelectric conversion material of a thermoelectric conversion material.

ここで、上記熱電変換材料は、Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金である母相と、第2相Mとを含み、第2相Mが母相中に分散されており、第2相Mの平均粒径が母相の平均粒径よりも小さく、かつ50nm以下であり、前記第2相Mの含有量xが0at%<x<2.5at%である。 Here, the thermoelectric conversion material contains a matrix phase which is a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy and a second phase M, and the second phase M is dispersed in the matrix phase, and the second phase M The average particle size of the second phase M is smaller than the average particle size of the parent phase and is 50 nm or less, and the content x of the second phase M is 0 at% <x <2.5 at%.

本発明によれば、高い熱電変換特性を得られるp型熱電変換材料、熱電変換モジュール、及びp型熱電変換材料の製造方法を実現することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a p-type thermoelectric conversion material, a thermoelectric conversion module, and a method for manufacturing a p-type thermoelectric conversion material that can obtain high thermoelectric conversion characteristics.

実施例に係るp型熱電変換材料の製造方法の手順を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the procedure of the manufacturing method of the p-type thermoelectric conversion material which concerns on Example. 実施例に係る熱電変換モジュールの構成を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the thermoelectric conversion module which concerns on Example. 試料5におけるX線回折パターンを示す図である。It is a figure which shows the X-ray diffraction pattern in a sample 5. 試料5におけるTEM-EDX像を示す図である。It is a figure which shows the TEM-EDX image in the sample 5. p型熱電変換材料におけるWの量と熱伝導率κとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the amount of W and the thermal conductivity κ in the p-type thermoelectric conversion material. p型熱電変換材料におけるWの量と性能指数ZTとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the amount of W and the figure of merit ZT in a p-type thermoelectric conversion material.

以下、本発明の実施の形態及び実施例を、図面も参照しつつ詳細に説明する。
本発明に係るp型熱電変換材料は、Fe-Ti-Si系のフルホイスラー合金を母相とする。フルホイスラー合金は、一般式E1E2E3で表される。本発明は、E1にFe元素、E2にTi元素、E3にSi元素を主として用いたフルホイスラー構造を持つFe-Ti-Si系フルホイスラー合金を母相としたp型の熱電変換材料である。これらE1、E2、E3の元素は各元素の組成の半分を超えない程度に他の元素に置換されていてもよく、これらを含めてFe-Ti-Si系フルホイスラー合金とする。Fe-Ti-Si系のフルホイスラー合金は、無毒且つ安価で、埋蔵量の多い元素のみから構成されており、環境負荷が小さい合金である。前述のように、Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金は、従来、n型では十分に大きな熱電変換特性を備えることができるが、本発明は、p型においても十分に大きな熱電変換特性を備えることを可能にしている。
Hereinafter, embodiments and examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
The p-type thermoelectric conversion material according to the present invention uses a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy as a parent phase. The full-Whisler alloy is represented by the general formula E1 2 E2 E3. The present invention is a p-type thermoelectric conversion material using a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy having a full-Whisler structure mainly using Fe element in E1, Ti element in E2, and Si element in E3 as a parent phase. These E1, E2, and E3 elements may be replaced with other elements to the extent that the composition of each element does not exceed half, and the Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy includes these elements. Fe—Ti—Si based full-Whisler alloys are non-toxic, inexpensive, composed only of elements with large reserves, and have a small environmental load. As described above, the Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy can conventionally have a sufficiently large thermoelectric conversion characteristic in the n-type, but the present invention also has a sufficiently large thermoelectric conversion characteristic in the p-type. It makes it possible.

本発明者らの検討の結果、Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金を母相とし、母相と第2相Mを含む熱電変換材料であって、第2相Mが母相中に分散されており、第2相Mの平均粒径が母相の平均粒径よりも小さく、かつ50nm以下であり、第2相Mの含有量xが0at%<x<2.5at%である熱電変換材料において、p型の熱電変換材料においても高い熱電変換性能を得られることが見出された。平均粒径は試料のX線回折パターンを以下の式[数1]で表されるシェラーの式を用いて解析することにより求めた。 As a result of the study by the present inventors, it is a thermoelectric conversion material containing a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy as a matrix phase and a matrix phase and a second phase M, and the second phase M is dispersed in the matrix phase. The average particle size of the second phase M is smaller than the average particle size of the parent phase and is 50 nm or less, and the content x of the second phase M is 0 at% <x <2.5 at%. In terms of materials, it has been found that high thermoelectric conversion performance can be obtained even with p-type thermoelectric conversion materials. The average particle size was determined by analyzing the X-ray diffraction pattern of the sample using Scherrer's equation represented by the following equation [Equation 1].

[数1]
L=Kλ/βcosθ
[Number 1]
L = Kλ / βcosθ

[数1]において、Lは平均粒径であり、Kは0.94の定数であり、λはX線の波長であり、βは回折ピークの半値幅であり、θは回折角である。なお、Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金はその組成比がFe:Ti:Si=2:1:1からずれても、高い熱電変換特性を備えることができる。これは、熱電変換材料がp型の場合に限らず、n型の場合であっても同様である。 In [Equation 1], L is the average particle size, K is a constant of 0.94, λ is the wavelength of the X-ray, β is the half width of the diffraction peak, and θ is the diffraction angle. The Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy can have high thermoelectric conversion characteristics even if the composition ratio deviates from Fe: Ti: Si = 2: 1: 1. This is not limited to the case where the thermoelectric conversion material is p-type, and the same applies even when the thermoelectric conversion material is n-type.

熱電変換モジュールの最大出力は、熱電変換材料の無次元の性能指数ZTに依存する。このため、熱電変換材料の性能は、下記式[数2]の無次元の性能指数ZTで評価される。 The maximum output of the thermoelectric conversion module depends on the dimensionless figure of merit ZT of the thermoelectric conversion material. Therefore, the performance of the thermoelectric conversion material is evaluated by the dimensionless figure of merit ZT of the following equation [Equation 2].

[数2]
ZT=(S/ρκ)T
[Number 2]
ZT = (S 2 / ρκ) T

なお、以下では、「無次元の性能指数ZT」を、単に「性能指数ZT」と称する。[数2]において、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。従って、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、電気抵抗率ρを減少させ、熱伝導率κを減少させることが望ましい。 In the following, the "dimensionless figure of merit ZT" is simply referred to as "figure of merit ZT". In [Equation 2], S is the Seebeck coefficient, ρ is the electrical resistivity, κ is the thermal conductivity, and T is the temperature. Therefore, in order to improve the maximum output P of the thermoelectric conversion module, it is desirable to increase the Seebeck coefficient S of the thermoelectric conversion material, decrease the electrical resistivity ρ, and decrease the thermal conductivity κ.

Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金において、価電子数4であるSiの一部を価電子数3であるAlで置換することにより、熱電変換材料全体の価電子数が減少し、キャリアとなるホールがドープされた状態となる。フルホイスラー合金の単位格子あたりの総価電子数VECが23.8以上24.1以下であると、p型熱電変換材料において高い性能指数ZTを得ることができる。 In the Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy, by substituting a part of Si having a valence electron number of 4 with Al having a valence electron number of 3, the number of valence electrons of the entire thermoelectric conversion material is reduced and becomes a carrier. The holes are doped. When the total valence electron number VEC per unit cell of the full-Whisler alloy is 23.8 or more and 24.1 or less, a high figure of merit ZT can be obtained in the p-type thermoelectric conversion material.

また、Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金を母相とし、母相と第2相Mを含む熱電変換材料であって、第2相Mが母相中に分散されており、第2相Mの平均粒径が母相の平均粒径よりも小さく、かつ50nm以下である。ここで「分散」とは、第2相Mが、Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金の結晶構造からは分離しており、合金の結晶の分布状態及び密度とは異なる分布状態及び密度で該合金内に存在する、という程度の広義の意味に使用される。 Further, it is a thermoelectric conversion material containing a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy as a matrix phase and a matrix phase and a second phase M. The second phase M is dispersed in the matrix phase, and the second phase M The average particle size of the mother phase is smaller than the average particle size of the parent phase and is 50 nm or less. Here, "dispersion" means that the second phase M is separated from the crystal structure of the Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy, and the distribution state and density are different from the distribution state and density of the alloy crystals. It is used in a broad sense to the extent that it exists in an alloy.

このような第2相Mが分散されたFe-Ti-Si系フルホイスラー合金では、従来の第2相Mを含まないFe-Ti-Si系フルホイスラー合金の単相と比較して、母相と第2相Mの界面で平均自由行程の短いフォノンが散乱されるため、格子によるエネルギー伝播が抑制される。これにより、熱電変換材料中の熱伝導が抑制される。また後述するように、焼結体を得ることにより電気伝導性も確保される。これらの効果により、p型熱電変換材料の性能指数ZTを増加させることができる。 In such a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy in which the second phase M is dispersed, the parent phase is compared with the single phase of the conventional Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy that does not contain the second phase M. Since phonons having a short mean free path are scattered at the interface between the phase 2 and the phase M, energy propagation by the lattice is suppressed. This suppresses heat conduction in the thermoelectric conversion material. Further, as will be described later, the electrical conductivity is also ensured by obtaining the sintered body. Due to these effects, the figure of merit ZT of the p-type thermoelectric conversion material can be increased.

このような第2相Mが分散されたFe-Ti-Si系フルホイスラー合金において、第2相Mの平均粒径が母相の平均粒径よりも大きい場合、母相が散乱させるフォノンの平均自由行程より短い平均自由行程を持つフォノンは、母相と第2相Mの界面で散乱されなくなるため、熱電変換材料の熱伝導率が十分に下がらず、高い性能指数ZTを得難くなる。第2相Mの平均粒径が母相の平均粒径よりも小さく、かつ50nmを超える場合においても、平均自由行程の短いフォノンが効果的に散乱されないことから、熱電変換材料の熱伝導率が十分に下がらず、高い性能指数ZTを得難くなる。
以上のように、
(a)Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金である母相
(b)第2相M
(c)前記第2相Mが前記母相中に分散されていること
(d)前記第2相Mの平均粒径が前記母相の平均粒径よりも小さく、かつ50nm以下であるp型熱電変換材料
の組合せにより、高い性能指数を得ることができることが理解される。
In such a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy in which the second phase M is dispersed, when the mean particle size of the second phase M is larger than the mean particle size of the mother phase, the average of phonons scattered by the mother phase Since phonons having a mean free path shorter than the free path are not scattered at the interface between the parent phase and the second phase M, the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material does not decrease sufficiently, and it becomes difficult to obtain a high performance index ZT. Even when the average particle size of the second phase M is smaller than the average particle size of the parent phase and exceeds 50 nm, phonons having a short mean free path are not effectively scattered, so that the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material is high. It does not drop sufficiently, making it difficult to obtain a high performance index ZT.
As mentioned above
(A) Mother phase of Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy (b) Phase 2 M
(C) The second phase M is dispersed in the mother phase (d) The p-type in which the average particle size of the second phase M is smaller than the average particle size of the mother phase and is 50 nm or less. It is understood that a high performance index can be obtained by combining thermoelectric conversion materials.

更に、
(e)Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金に対する第2相Mの含有量xが0at%<x<2.5at%であること
が好ましい。そのことによって、従来の第2相Mを含有していないFe-Ti-Si系フルホイスラー合金の単相と比較して、熱電変換材料中の熱伝導が抑制される。また焼結体を得ることにより電気伝導性も確保される。これらの効果により、大きな性能指数ZTを得ることができる。
In addition,
(E) The content x of the second phase M with respect to the Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy is preferably 0 at% <x <2.5 at%. As a result, heat conduction in the thermoelectric conversion material is suppressed as compared with the single phase of the conventional Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy that does not contain the second phase M. In addition, electrical conductivity is ensured by obtaining a sintered body. Due to these effects, a large figure of merit ZT can be obtained.

Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金に対する第2相Mの含有量xが2.5at%以上であると、第2相Mのゼーベック係数の影響が無視できなくなり、熱電変換材料のゼーベック係数が減少し、また母相と第2相Mの界面の数が多くなることで電子が散乱され電気抵抗率が増加する。このため、含有量xは2.5at%未満に抑制することが、高い性能指数ZTを得る観点からより好ましい。 When the content x of the second phase M with respect to the Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy is 2.5 at% or more, the influence of the Seebeck coefficient of the second phase M cannot be ignored, and the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material decreases. In addition, as the number of interfaces between the parent phase and the second phase M increases, electrons are scattered and the electrical resistivity increases. Therefore, it is more preferable to suppress the content x to less than 2.5 at% from the viewpoint of obtaining a high figure of merit ZT.

このように、機械的特性や元素拡散係数の観点からすると、第2相Mは、W(タングステン)、Ta(タンタル)のうち少なくとも1つ以上の元素からなる金属、又はTa、Wのうち少なくとも1つ以上の元素を含む化合物が好適である。 As described above, from the viewpoint of mechanical properties and element diffusion coefficient, the second phase M is a metal composed of at least one element of W (tungsten) and Ta (tantalum), or at least of Ta and W. Compounds containing one or more elements are preferred.

第2相Mの機械的強度が小さい場合、Fe-Ti-Si系アモルファス合金を作製する際、Mの結晶構造は維持されず、Fe-Ti-Si系アモルファス合金とMが合金化し、第2相Mが母相のFe-Ti-Si系フルホイスラー合金の中で分散された形で形成されないことから、高い性能指数ZTを得難くなる。 When the mechanical strength of the second phase M is small, the crystal structure of M is not maintained when the Fe—Ti—Si based amorphous alloy is produced, and the Fe—Ti—Si based amorphous alloy and M are alloyed to form the second phase. Since the phase M is not formed in a dispersed form in the Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy of the parent phase, it becomes difficult to obtain a high performance index ZT.

第2相Mの元素拡散係数が大きい場合、Fe-Ti-Si系アモルファス合金を作製する際、発生する熱によりFe-Ti-Si系アモルファス合金中にMが元素拡散して合金化し、第2相Mが母相のFe-Ti-Si系フルホイスラー合金の中で分散された形で形成されないことから、高い性能指数ZTを得難くなる。 When the element diffusion coefficient of the second phase M is large, when the Fe—Ti—Si based amorphous alloy is produced, M is elementally diffused and alloyed in the Fe—Ti—Si based amorphous alloy by the generated heat, and the second phase is alloyed. Since the phase M is not formed in a dispersed form in the Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy of the parent phase, it becomes difficult to obtain a high performance index ZT.

機械的強度が大きく、元素拡散係数が小さいことから、MはW、Ta、又はW,Taを含む化合物であることが好ましい。 Since the mechanical strength is high and the element diffusion coefficient is small, M is preferably a compound containing W, Ta, or W, Ta.

熱電変換材料中の母相であるFe-Ti-Si系フルホイスラー合金は、L2型結晶構造を有しているため、p型熱電変換材料として優れた熱電変換特性を得られるため好ましい。 The Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy, which is the parent phase in the thermoelectric conversion material, has an L21 type crystal structure and is preferable because excellent thermoelectric conversion characteristics can be obtained as a p-type thermoelectric conversion material.

以上説明した実施形態に係るp型の熱電変換材料によれば、p型の熱電変換材料として適用したときの性能指数ZTとして、従来のFe-Ti-Si系フルホイスラー合金が示す最大の値である、0.20以上の性能指数ZTを得ることができる。 According to the p-type thermoelectric conversion material according to the embodiment described above, the figure of merit ZT when applied as a p-type thermoelectric conversion material is the maximum value indicated by the conventional Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy. A figure of merit ZT of 0.20 or more can be obtained.

なお、本実施の形態に係るp型熱電変換材料であることは、誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP-AES)またはエネルギー分散型X線分光分析(EDX)による組成分析、走査電子顕微鏡(SEM)または透過電子顕微鏡(TEM)による構造解析により容易に確認することが出来る。 The p-type thermoelectric conversion material according to the present embodiment can be described by composition analysis by inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP-AES) or energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX), and a scanning electron microscope (SEM). Alternatively, it can be easily confirmed by structural analysis using a transmitted electron microscope (TEM).

次に、上述のp型熱電変換材料の製造方法を図1を参照して説明する。
まず、Fe原料粉末、Ti原料粉末、Si原料粉末、M原料粉末を、最終的に得たいFe-Ti-Si系合金の組成に応じた割合で準備する(ステップS1)。
Next, the method for manufacturing the above-mentioned p-type thermoelectric conversion material will be described with reference to FIG.
First, Fe raw material powder, Ti raw material powder, Si raw material powder, and M raw material powder are prepared at a ratio according to the composition of the Fe—Ti—Si based alloy to be finally obtained (step S1).

次に、上記した各原料粉末を混合して、Fe、Ti、Si、Mを含む混合物を生成し、得られた混合物を、例えばメカニカルアロイング法によりFe、Ti、Siをアモルファス化してFe-Ti-Si系アモルファス合金とする(ステップS2)。メカニカルアロイングは、例えば硬質球などの粉砕媒体を混合物とともに密閉容器に装填し、機械的な撹拌によりミリングを行って合金を生成する方法である。メカニカルアロイング法は急冷法などアモルファス相を作製可能な他の技術と比較して、広い組成範囲でアモルファス相を得ることができる。一方、M原料粉末は、Fe、Ti、Siがアモルファス相に変化した後も、結晶構造を維持したまま、Fe-Ti-Si系アモルファス合金中に平均粒径50nm以下まで微細化されて分散され、これにより、Fe-Ti-Si系アモルファス合金中に第2相Mが分散された合金粉末が形成される。なお、Fe、Ti、Siをアモルファス合金化する他の方法として、メルトスピニング法やアトマイズ法などを用いることも可能である。また、上記合金が、粉末体として得られていない場合には、例えば水素脆化処理を実行し、酸化が防止される環境下で粉砕する方法を用いてもよい。 Next, each of the above-mentioned raw material powders is mixed to produce a mixture containing Fe, Ti, Si, and M, and the obtained mixture is amorphized Fe, Ti, and Si by, for example, a mechanical alloying method to form Fe-. A Ti—Si-based amorphous alloy is used (step S2). Mechanical alloying is a method in which a pulverizing medium such as a hard ball is loaded into a closed container together with a mixture and milled by mechanical stirring to form an alloy. The mechanical alloying method can obtain an amorphous phase in a wide composition range as compared with other techniques capable of producing an amorphous phase such as a quenching method. On the other hand, even after Fe, Ti, and Si have changed to an amorphous phase, the M raw material powder is finely divided and dispersed in an Fe—Ti—Si-based amorphous alloy with an average particle size of 50 nm or less while maintaining the crystal structure. As a result, an alloy powder in which the second phase M is dispersed in the Fe—Ti—Si-based amorphous alloy is formed. As another method for forming Fe, Ti, and Si into an amorphous alloy, a melt spinning method, an atomizing method, or the like can also be used. When the alloy is not obtained as a powder, for example, a method of performing hydrogen embrittlement treatment and pulverizing in an environment where oxidation is prevented may be used.

次に、合金粉末を、例えば加圧成形等の方法により成型する(ステップS3)。成型時の圧力は、例えば40MPa~5GPaとすることができる。 Next, the alloy powder is molded by a method such as pressure molding (step S3). The pressure at the time of molding can be, for example, 40 MPa to 5 GPa.

次に、合金粉末を、450℃以上800℃以下の温度で加圧しながら加熱して焼結させる(ステップS4)。これにより、Fe-Ti-Si系アモルファス合金がL2型結晶構造を有するフルホイスラー合金を形成する。このとき、圧力は40MPa~5GPaであることが望ましく、それにより焼結体の密度が向上し電気抵抗率が減少、熱電性能指数が高くなる。第2相Mは焼結前と同様、フルホイスラー合金としての母相中に分散されており、第2相Mの平均粒径が母相の平均粒径よりも小さく、かつ50nm以下である。 Next, the alloy powder is heated and sintered while being pressurized at a temperature of 450 ° C. or higher and 800 ° C. or lower (step S4). As a result, the Fe—Ti—Si based amorphous alloy forms a full-Whisler alloy having an L2 type 1 crystal structure. At this time, the pressure is preferably 40 MPa to 5 GPa, whereby the density of the sintered body is increased, the electrical resistivity is decreased, and the thermoelectric figure of merit is increased. The second phase M is dispersed in the matrix as a full-Whisler alloy as before sintering, and the average particle size of the second phase M is smaller than the average particle size of the matrix and is 50 nm or less.

これは、Fe-Ti-Si系のL2型結晶構造が準安定構造であるため、高エネルギー状態のアモルファス構造を経ることで、L2型結晶構造を、中間生成物として作製可能となるためである。焼結温度は、フルホイスラー合金が十分に結晶化し、また熱分解しない550℃以上750℃以下であることが好ましい。また焼結温度は、フルホイスラー合金の相対密度が大きくなり、また結晶粒径が粗大化しすぎない600℃以上700℃以下であることがより好ましい。 This is because the Fe—Ti—Si based L2 type 1 crystal structure is a semi-stable structure, so that the L2 type 1 crystal structure can be produced as an intermediate product by passing through the amorphous structure in a high energy state. Is. The sintering temperature is preferably 550 ° C. or higher and 750 ° C. or lower so that the full-Whisler alloy is sufficiently crystallized and does not undergo thermal decomposition. Further, the sintering temperature is more preferably 600 ° C. or higher and 700 ° C. or lower so that the relative density of the full-Whisler alloy increases and the crystal grain size does not become too coarse.

焼結温度が450℃未満であると、母相においてL2型結晶構造が得られない。一方、焼結温度が800℃を超えると、L2型結晶構造が熱分解して、他の安定合金が形成されることがある。この場合、得られた焼結体を、熱電変換材料として使用することが困難となる。このため、合金粉末の焼結温度は、450℃以上800℃以下の温度に設定される。 If the sintering temperature is less than 450 ° C., an L2 type 1 crystal structure cannot be obtained in the matrix. On the other hand, if the sintering temperature exceeds 800 ° C., the L2 type 1 crystal structure may be thermally decomposed to form another stable alloy. In this case, it becomes difficult to use the obtained sintered body as a thermoelectric conversion material. Therefore, the sintering temperature of the alloy powder is set to a temperature of 450 ° C. or higher and 800 ° C. or lower.

上記した焼結温度の保持時間は、特に限定されないが、概ね1~600分間とすることができる。焼結工程は、加圧成型工程と加熱工程とを同時に行うことが可能な、放電プラズマ焼結法又はホットプレス法などを用いることもできる。 The holding time of the above-mentioned sintering temperature is not particularly limited, but can be approximately 1 to 600 minutes. As the sintering step, a discharge plasma sintering method or a hot press method, which can simultaneously perform the pressure forming step and the heating step, can also be used.

保持時間が長すぎると試料が酸化して熱電特性が低下する可能性があり、保持時間が短すぎるとフルホイスラー合金が形成されない可能性がある。保持時間は、温度むらの低減、また酸化防止の観点から5~400分間であることが好ましい。また保持時間は、均一なL2型結晶構造化、またその結晶粒径が粗大化しすぎない為には10~200分間であることがより好ましい。 If the holding time is too long, the sample may oxidize and the thermoelectric properties may deteriorate, and if the holding time is too short, the full-Whisler alloy may not be formed. The holding time is preferably 5 to 400 minutes from the viewpoint of reducing temperature unevenness and preventing oxidation. Further, the holding time is more preferably 10 to 200 minutes in order to form a uniform L2 type 1 crystal structure and to prevent the crystal grain size from becoming too coarse.

<熱電変換モジュール>
次に、本発明の実施の形態に係るp型熱電変換材料を用いた熱電変換モジュールについて説明する。図2は、本実施の形態に係る熱電変換モジュールの構成を示す断面図である。図2に示す熱電変換モジュールは、上部基板14aと下部基板14bとを備えており、上部基板14aと下部基板14bとの間に、p型熱電変換素子11と、p型熱電変換素子11に隣接するn型熱電変換素子12とを備えている。
<Thermoelectric conversion module>
Next, a thermoelectric conversion module using the p-type thermoelectric conversion material according to the embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the thermoelectric conversion module according to the present embodiment. The thermoelectric conversion module shown in FIG. 2 includes an upper substrate 14a and a lower substrate 14b, and is adjacent to a p-type thermoelectric conversion element 11 and a p-type thermoelectric conversion element 11 between the upper substrate 14a and the lower substrate 14b. The n-type thermoelectric conversion element 12 is provided.

p型熱電変換素子11は、p型熱電変換材料を含んで形成されており、n型熱電変換素子12は、n型熱電変換材料を含んで形成されている。p型熱電変換素子11は、少なくともその一つが、上述したような第2相Mを分散してなるFe-Ti-Si系フルホイスラー合金のp型熱電変換材料により形成されている。 The p-type thermoelectric conversion element 11 is formed to include a p-type thermoelectric conversion material, and the n-type thermoelectric conversion element 12 is formed to include an n-type thermoelectric conversion material. At least one of the p-type thermoelectric conversion elements 11 is formed of a p-type thermoelectric conversion material of Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy in which the second phase M as described above is dispersed.

p型熱電変換素子11とn型熱電変換素子12とは、上部基板14aと下部基板14bとの間に、所定の間隔を空けて交互に配列されている。1組のp型熱電変換素子11とn型変換素子12とによりπ型の構造を有する熱電変換対15が形成される。このπ型の構造の複数の熱電変換素子対15が、上部基板14a上に形成された上部電極13a、及び下部基板14b上に形成された下部電極13bにより、電気的に直列に接続されている。具体的には、p型熱電変換素子11は、上部電極13aにより隣接するn型熱電変換素子12と接続されている。また、p型熱電変換素子11は、下部電極13bにより、上部電極13aにより接続されたn型熱電変換素子12と反対側に設けられたn型熱電変換素子12と接続されている。 The p-type thermoelectric conversion element 11 and the n-type thermoelectric conversion element 12 are alternately arranged between the upper substrate 14a and the lower substrate 14b with a predetermined interval. A thermoelectric conversion pair 15 having a π-type structure is formed by a set of a p-type thermoelectric conversion element 11 and an n-type conversion element 12. A plurality of thermoelectric conversion element pairs 15 having this π-shaped structure are electrically connected in series by an upper electrode 13a formed on the upper substrate 14a and a lower electrode 13b formed on the lower substrate 14b. .. Specifically, the p-type thermoelectric conversion element 11 is connected to the adjacent n-type thermoelectric conversion element 12 by the upper electrode 13a. Further, the p-type thermoelectric conversion element 11 is connected by the lower electrode 13b to the n-type thermoelectric conversion element 12 provided on the opposite side of the n-type thermoelectric conversion element 12 connected by the upper electrode 13a.

p型熱電変換素子11及びn型熱電変換素子12は、上部電極13a及び下部電極13bと、導電性材料により接続されている。これらの構造には、応力緩和構造を設けてもよいし、その他の付属品を付けることも可能である。 The p-type thermoelectric conversion element 11 and the n-type thermoelectric conversion element 12 are connected to the upper electrode 13a and the lower electrode 13b by a conductive material. These structures may be provided with stress relaxation structures or may be attached with other accessories.

以上説明した構造により、p型熱電変換素子11及びn型熱電変換素子12は、上部電極13a及び下部電極13bと熱的に接触するように接合されており、上部電極13a及び下部電極13bは、上部基板14a及び下部基板14bに熱的に接触するように接合されている。 According to the structure described above, the p-type thermoelectric conversion element 11 and the n-type thermoelectric conversion element 12 are joined so as to be in thermal contact with the upper electrode 13a and the lower electrode 13b, and the upper electrode 13a and the lower electrode 13b are joined. It is joined so as to be in thermal contact with the upper substrate 14a and the lower substrate 14b.

図2に示す熱電変換モジュールは、例えば上部基板14aを加熱するか又は高熱部に接触させることで、p型熱電変換素子11及びn型熱電変換素子12において、同一の方向に温度勾配を発生させることができる。このとき、ゼーベック効果の原理より、p型熱電変換素子11及びn型熱電変換素子12では、温度勾配に対して逆向きに熱起電力が発生する。これにより、大きい熱起電力を発生させることができる。従って、温度勾配が印加された状態で、電極の両端(例えば図2では、図中右端の下部電極13bと図中左端の下部電極13b)を接続することで、電気エネルギーを効率良く取り出すことができる。 The thermoelectric conversion module shown in FIG. 2 generates a temperature gradient in the same direction in the p-type thermoelectric conversion element 11 and the n-type thermoelectric conversion element 12 by, for example, heating the upper substrate 14a or bringing it into contact with a high heat portion. be able to. At this time, according to the principle of the Zeebeck effect, in the p-type thermoelectric conversion element 11 and the n-type thermoelectric conversion element 12, thermoelectromotive force is generated in the direction opposite to the temperature gradient. This makes it possible to generate a large thermoelectromotive force. Therefore, by connecting both ends of the electrode (for example, in FIG. 2, the lower electrode 13b at the right end in the figure and the lower electrode 13b at the left end in the figure) with the temperature gradient applied, electrical energy can be efficiently extracted. can.

n型熱電変換素子12としては、n型熱電変換材料として、Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金を用いてもよいし、Fe-V-Al系フルホイスラー合金を用いてもよいし、Bi-Te系半導体を用いてもよい。Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金をn型熱電変換材料として用いた場合には、高い機械的特性や高い性能指数ZTを得られる温度領域が、p型熱電変換材料において高い機械的特性や高い性能指数ZTを得られる温度領域と略同程度となるため好適である。このため、熱電変換モジュールとしての出力特性や信頼性を向上させ、かつコストを低減する観点から、n型熱電変換素子としてもFe-Ti-Si系フルホイスラー合金を用いることが好ましい。 As the n-type thermoelectric conversion element 12, a Fe—Ti—Si-based full-Whisler alloy may be used, an Fe—V—Al-based full-Whisler alloy may be used, or Bi— as the n-type thermoelectric conversion material. A Te-based semiconductor may be used. When the Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy is used as the n-type thermoelectric conversion material, the temperature range in which high mechanical properties and high figure of merit ZT can be obtained is high in the p-type thermoelectric conversion material. It is suitable because it is about the same as the temperature range in which the figure of merit ZT can be obtained. Therefore, from the viewpoint of improving the output characteristics and reliability of the thermoelectric conversion module and reducing the cost, it is preferable to use the Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy as the n-type thermoelectric conversion element.

<実施例>
以下に、実施例に係るp型熱電変換材料を、実施例により詳細に説明する。
まず、以下の方法により、実施例に係るp型熱電変換材料として、E1E2E3で表されるL2型結晶構造を有するFe-Ti-Si系フルホイスラー合金を母相とし、第2相Mとを含む熱電変換材料を作製した。
<Example>
Hereinafter, the p-type thermoelectric conversion material according to the examples will be described in detail with reference to the examples.
First, by the following method, as the p-type thermoelectric conversion material according to the embodiment, a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy having an L2 type 1 crystal structure represented by E1 2 E2 E3 is used as a parent phase, and the second phase M is used. A thermoelectric conversion material containing and was prepared.

E1サイト、E2サイト及びE3サイトの各サイトの主成分を構成する原料粉末としては、それぞれ、Fe、Ti、及びSiを主成分とする原料粉末を用いた。また、E3サイトに添加する成分の原料粉末の一例として、Alを主成分とする原料粉末を用いた。添加物がAlでない場合にいても、総価電子数VECが23.8以上24.1以下であればP型の高いゼーベック係数を得ることができる。また第2相MにはWを用いた。これらの原料粉末を、最終的に得られる熱電変換材料(試料番号1~6)の組成比が表1となるように秤量した。試料番号1~6は、Fe、Ti、Siの組成比は略同一であるが、Wの組成比が0~2.50at%の範囲で段階的に変更されている。試料番号1の試料は、Wの添加が無いため、比較例に相当する。また、試料番号6の資料は、Wの添加が多く十分高いZTが得られず、比較例に相当する。 As the raw material powders constituting the main components of each of the E1 site, E2 site and E3 site, raw material powders containing Fe, Ti and Si as main components were used, respectively. Further, as an example of the raw material powder of the component to be added to the E3 site, the raw material powder containing Al as the main component was used. Even when the additive is not Al, a high P-type Seebeck coefficient can be obtained if the total valence electron number VEC is 23.8 or more and 24.1 or less. Further, W was used for the second phase M. These raw material powders were weighed so that the composition ratios of the finally obtained thermoelectric conversion materials (sample numbers 1 to 6) were shown in Table 1. In sample numbers 1 to 6, the composition ratios of Fe, Ti, and Si are substantially the same, but the composition ratio of W is changed stepwise in the range of 0 to 2.50 at%. The sample of sample No. 1 corresponds to a comparative example because W is not added. Further, the material of sample No. 6 corresponds to a comparative example because a sufficiently high ZT cannot be obtained due to the large amount of W added.

Figure 0007028076000001
Figure 0007028076000001

次に、これらの原料粉末を、不活性ガス雰囲気中において、ステンレス鋼製の容器に入れ、直径10mmのステンレス鋼製ボール又はクロム鋼製ボール(硬質球)と混合した。次に、この混合物について、遊星ボールミル装置を用いたメカニカルアロイングを行い、アモルファス化した母相と第2相Mを含む合金粉末を得た。 Next, these raw material powders were placed in a stainless steel container in an inert gas atmosphere and mixed with a stainless steel ball or a chrome steel ball (hard ball) having a diameter of 10 mm. Next, this mixture was mechanically alloyed using a planetary ball mill device to obtain an alloy powder containing an amorphous mother phase and the second phase M.

メカニカルアロイングは、350rpmの公転回転速度で20時間以上実施した。次に、合金粉末を、カーボン製のダイス又はタングステンカーバイド製のダイスに入れ、不活性ガス雰囲気中において、1.5GPaの圧力下でパルス電流をかけながら加熱して、焼結させた。 Mechanical alloying was carried out at a revolution rotation speed of 350 rpm for 20 hours or more. Next, the alloy powder was placed in a carbon die or a tungsten carbide die and heated in an inert gas atmosphere under a pressure of 1.5 GPa while applying a pulse current to be sintered.

焼結処理は、660℃まで昇温した後、その目標温度(660℃)で30分間保持して行った。その後、得られた焼結体を室温まで冷却して、熱電変換材料(試料1~試料6)を得た。 The sintering treatment was carried out by raising the temperature to 660 ° C. and then holding the temperature at the target temperature (660 ° C.) for 30 minutes. Then, the obtained sintered body was cooled to room temperature to obtain thermoelectric conversion materials (Samples 1 to 6).

[評価方法]
次に、得られた各熱電変換材料のゼーベック係数及び電気伝導率を、熱電特性評価装置(「ZEM-2」、アドバンス理工株式会社製)により測定し、熱伝導率をレーザーフラッシュ法熱定数測定装置(「LFA447 Nanoflush」、ネッチジャパン株式会社製)により測定して、各試料1~6の性能指数ZTを算出した。
[Evaluation methods]
Next, the Zeebeck coefficient and electrical conductivity of each of the obtained thermoelectric conversion materials were measured by a thermoelectric property evaluation device (“ZEM-2”, manufactured by Advance Riko Co., Ltd.), and the thermal conductivity was measured by the laser flash method thermal constant. The performance index ZT of each sample 1 to 6 was calculated by measuring with an apparatus (“LFA447 Nanoflush”, manufactured by Netch Japan Co., Ltd.).

また、X線回折装置(「X‘pertPro」、PANalytical製)による測定を行い、各試料の結晶構造と平均粒径を評価した。平均粒径の計算には上述の[数1]で表されるシェラーの式を用いた。また、母相と第2相Mの構造の観察には透過電子顕微鏡(TEM)とエネルギー分散型X線分光法を用いた。 In addition, measurement was performed with an X-ray diffractometer (“X'pertPro”, manufactured by PANalytical), and the crystal structure and average particle size of each sample were evaluated. The Scherrer's formula represented by the above [Equation 1] was used for the calculation of the average particle size. A transmission electron microscope (TEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy were used to observe the structures of the matrix and the second phase M.

これらの評価結果を図3~図6に示す。各試料1~6の組成比、平均粒径、性能指数ZTは表1に示す通りである。 These evaluation results are shown in FIGS. 3 to 6. The composition ratio, average particle size, and figure of merit ZT of each sample 1 to 6 are as shown in Table 1.

[評価結果]
図3、図4は、Wの組成比を2.0at%とした試料5について、焼結体のXRDパターンとTEM-EDX像を示している。またAlの組成比は総価電子数が23.8以上、24.1以下になるように設定した。
[Evaluation results]
3 and 4 show the XRD pattern and the TEM-EDX image of the sintered body for the sample 5 in which the composition ratio of W is 2.0 at%. The composition ratio of Al was set so that the total number of valence electrons was 23.8 or more and 24.1 or less.

図3に示すように、焼結体は強度の大きいフルホイスラー合金の回折ピークに加え、強度の小さいWの回折ピークが得られている。したがって、フルホイスラー合金を母相とし、その母相中に分散された第2相MとしてWが母材中に存在していることがわかる。[表1]のFe、Ti、Si、Alの組成比において、Wの組成比を0at%から2.5at%まで増加させたとき、X線回折パターンから[数1]で示されるシェラーの式を用いて計算した母相及びWの平均粒径を[表1]に示す。母相の粒径はおおよそ69nmから79nmであるのに対して、Wの平均粒径はおおよそ20nmから23nmであり、Wの平均粒径は母相の平均粒径よりも小さく、50nm以下であることが分かる。 As shown in FIG. 3, in the sintered body, in addition to the diffraction peak of the full-Whisler alloy having high strength, the diffraction peak of W having low strength is obtained. Therefore, it can be seen that W is present in the base material as the second phase M dispersed in the mother phase with the full-Whisler alloy as the mother phase. In the composition ratios of Fe, Ti, Si, and Al in [Table 1], when the composition ratio of W is increased from 0 at% to 2.5 at%, the Scherrer's formula represented by [Equation 1] is shown from the X-ray diffraction pattern. The average particle size of the matrix and W calculated using the above is shown in [Table 1]. The particle size of the matrix is approximately 69 nm to 79 nm, whereas the average particle size of W is approximately 20 nm to 23 nm, and the average particle size of W is smaller than the average particle size of the matrix and is 50 nm or less. You can see that.

図4に、実施例に係るp型熱電変換材料のTEM-EDX像を示す。黒い領域は母相を示しており、濃度の薄い領域はW相を示している。図4のように、Wは母相中に粒子状になって均一に、母相の分布状態及び密度とは異なる分布状態及び密度で分散しており、しかもその平均粒径は50nm以下となっていることが分る。 FIG. 4 shows a TEM-EDX image of the p-type thermoelectric conversion material according to the embodiment. The black region indicates the mother phase, and the lightly concentrated region indicates the W phase. As shown in FIG. 4, W becomes particles in the matrix and is uniformly dispersed in a distribution state and density different from the distribution state and density of the matrix, and its average particle size is 50 nm or less. You can see that it is.

図5及び図6のグラフは、Wを0at%から2.5at%まで増加させたときの熱伝導率κと性能指数ZTの変化を示している。
図5に示すように、Wの量が0at%から2.5at%まで増加すると、Wの量が増えるにつれ熱伝導率κが減少する。Wを所定量添加した場合、Wを添加しないp型Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金単相の試料(試料1)に比べ、熱伝導率κは小さくなる。
また、図6に示すように、Wの量が0at%以上2.5at%未満の組成領域で、従来のp型フルホイスラー合金単相の試料(試料1)を超える性能指数ZTが得られている。
The graphs of FIGS. 5 and 6 show the changes in the thermal conductivity κ and the figure of merit ZT when W is increased from 0 at% to 2.5 at%.
As shown in FIG. 5, when the amount of W increases from 0 at% to 2.5 at%, the thermal conductivity κ decreases as the amount of W increases. When a predetermined amount of W is added, the thermal conductivity κ is smaller than that of the p-type Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy single-phase sample (Sample 1) to which W is not added.
Further, as shown in FIG. 6, a figure of merit ZT exceeding that of the conventional p-type full-Whisler alloy single-phase sample (Sample 1) was obtained in the composition region in which the amount of W was 0 at% or more and less than 2.5 at%. There is.

このようなp型Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金を母相とし、50nm以下の平均粒径を持つWを第2相Mとして母相の中に分散させると、p型熱電変換材料における性能指数ZTが向上する。その理由は、図4に示したように、Wの量の増加により熱伝導率κが減少するからである。一方で、母相中でのWの含有量が2.5at%を超えると、Wが持つ極めて小さいゼーベック係数の影響が無視できなくなり、p型熱電変換材料のゼーベック係数が減少し、またWと母相との界面の数が多くなることで電子が散乱され電気抵抗率が増加する。母相中でのWの含有量を0at%<x<2.5at%とすることで、より高い性能指数を得ることができる。
以上、Wを第2相Mとして母相中に分散させる実施例を説明したが、Taを第2相Mとした場合でも同様の効果を得ることができる。
When such a p-type Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy is used as the matrix phase and W having an average particle size of 50 nm or less is dispersed in the matrix phase as the second phase M, the performance in the p-type thermoelectric conversion material is achieved. Index ZT is improved. The reason is that, as shown in FIG. 4, the thermal conductivity κ decreases as the amount of W increases. On the other hand, when the content of W in the matrix exceeds 2.5 at%, the influence of the extremely small Seebeck coefficient of W cannot be ignored, the Seebeck coefficient of the p-type thermoelectric conversion material decreases, and W As the number of interfaces with the matrix increases, electrons are scattered and the electrical resistivity increases. By setting the W content in the matrix to 0 at% <x <2.5 at%, a higher figure of merit can be obtained.
Although the embodiment in which W is dispersed in the mother phase as the second phase M has been described above, the same effect can be obtained even when Ta is the second phase M.

以上、本発明の実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.

11…p型熱電変換素子、12…n型熱電変換素子、13a…上部電極、13b…下部電極、14a…上部基板、14b…下部基板、15…熱電変換素子対。 11 ... p-type thermoelectric conversion element, 12 ... n-type thermoelectric conversion element, 13a ... upper electrode, 13b ... lower electrode, 14a ... upper substrate, 14b ... lower substrate, 15 ... thermoelectric conversion element pair.

Claims (11)

Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金である母相と、第2相Mとを含み、
前記第2相Mが前記母相中に分散されており、前記第2相Mの平均粒径が前記母相の平均粒径よりも小さく、かつ50nm以下であり、
前記第2相Mの含有量xが0at%<x<2.5at%であり、
前記Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金は、単位格子あたりの総価電子数VECが23.8以上24.1以下であることを特徴とするp型熱電変換材料。
It contains a matrix phase which is a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy and a second phase M.
The second phase M is dispersed in the mother phase, and the average particle size of the second phase M is smaller than the average particle size of the mother phase and is 50 nm or less.
The content x of the second phase M is 0 at% <x <2.5 at%, and the content x is 0 at% <x <2.5 at%.
The Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy is a p-type thermoelectric conversion material having a total valence electron number VEC per unit cell of 23.8 or more and 24.1 or less .
前記第2相MがW、Taのうち少なくとも1つの元素からなる金属であり、又はW、Taのうち少なくとも1つの元素を含む化合物であることを特徴とする、請求項1に記載のp型熱電変換材料。 The p-type according to claim 1, wherein the second phase M is a metal composed of at least one element of W and Ta, or a compound containing at least one element of W and Ta. Thermoelectric conversion material. Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金である母相と、第2相Mとを含み、
前記第2相Mが前記母相中に分散されており、前記第2相Mの平均粒径が前記母相の平均粒径よりも小さく、かつ50nm以下であり、
前記第2相Mの含有量xが0at%<x<2.5at%であり、
前記Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金の一部は、SiがAlにより置換されており、単位格子あたりの総価電子数VECが23.8以上24.1以下であることを特徴とするp型熱電変換材料。
It contains a matrix phase which is a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy and a second phase M.
The second phase M is dispersed in the mother phase, and the average particle size of the second phase M is smaller than the average particle size of the mother phase and is 50 nm or less.
The content x of the second phase M is 0 at% <x <2.5 at%, and the content x is 0 at% <x <2.5 at%.
A part of the Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy is characterized in that Si is substituted with Al and the total valence electron number VEC per unit cell is 23.8 or more and 24.1 or less . P -type thermoelectric conversion material.
複数の熱電変換素子と、前記熱電変換素子の間を電気的に接続する電極とを有する熱電変換モジュールであって、
前記熱電変換素子は、
p型熱電変換素子と、このp型熱電変換素子と接続されたn型熱電変換素子を含み、
前記p型熱電変換素子は、
Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金である母相と、第2相Mとを含み、
前記第2相Mが前記母相中に分散されており、前記第2相Mの平均粒径が前記母相の平均粒径よりも小さく、かつ50nm以下であり、
前記第2相Mの含有量xが0at%<x<2.5at%であり、
前記Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金は、単位格子あたりの総価電子数VECが23.8以上24.1以下である
ことを特徴とする熱電変換モジュール。
A thermoelectric conversion module having a plurality of thermoelectric conversion elements and electrodes for electrically connecting the thermoelectric conversion elements.
The thermoelectric conversion element is
A p-type thermoelectric conversion element and an n-type thermoelectric conversion element connected to the p-type thermoelectric conversion element are included.
The p-type thermoelectric conversion element is
It contains a matrix phase which is a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy and a second phase M.
The second phase M is dispersed in the mother phase, and the average particle size of the second phase M is smaller than the average particle size of the mother phase and is 50 nm or less.
The content x of the second phase M is 0 at% <x <2.5 at%, and the content x is 0 at% <x <2.5 at%.
The Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy has a total valence electron number VEC per unit cell of 23.8 or more and 24.1 or less.
A thermoelectric conversion module characterized by that.
前記n型熱電変換素子は、Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金を有するn型熱電変換材料を含む、請求項に記載の熱電変換モジュール。 The thermoelectric conversion module according to claim 4 , wherein the n-type thermoelectric conversion element includes an n-type thermoelectric conversion material having a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy. 前記p型熱電変換素子と、前記n型熱電変換素子と、前記p型熱電変換素子と前記n型熱電変換素子とを接続する電極とを有する熱電変換素子対が複数配列されていることを特徴とする請求項に記載の熱電変換モジュール。 A plurality of thermoelectric conversion element pairs having the p-type thermoelectric conversion element, the n-type thermoelectric conversion element, and an electrode connecting the p-type thermoelectric conversion element and the n-type thermoelectric conversion element are arranged. The thermoelectric conversion module according to claim 4 . Fe原料粉末、Ti原料粉末、Si原料粉末、及びM原料粉末を混合してFe、Ti、Si、及びMを含む混合物を生成する工程と、
該混合物のうち、Fe、Ti、Siをアモルファス化して、MがFe-Ti-Si系アモルファス合金中にMの結晶構造を維持したまま分散している合金とする工程と、
前記合金を加熱して、熱電変換材料のp型熱電変換材料を製造する工程と
を含み、
前記熱電変換材料は、Fe-Ti-Si系フルホイスラー合金である母相と、第2相Mとを含み、前記第2相Mが前記母相中に分散されており、前記第2相Mの平均粒径が前記母相の平均粒径よりも小さく、かつ50nm以下であり、前記第2相Mの含有量xが0at%<x<2.5at%であり、
前記混合物を生成する工程において、単位格子あたりの総価電子数VECが23.8以上24.1以下となるよう、更にAl原料粉末を混合する
ことを特徴とするp型熱電変換材料の製造方法。
A step of mixing Fe raw material powder, Ti raw material powder, Si raw material powder, and M raw material powder to produce a mixture containing Fe, Ti, Si, and M.
A step of amorphizing Fe, Ti, and Si in the mixture to form an alloy in which M is dispersed in an Fe—Ti—Si-based amorphous alloy while maintaining the crystal structure of M.
It includes a step of heating the alloy to produce a p-type thermoelectric conversion material of a thermoelectric conversion material.
The thermoelectric conversion material contains a matrix phase which is a Fe—Ti—Si based full-Whisler alloy and a second phase M, and the second phase M is dispersed in the matrix phase M. The average particle size of the second phase M is smaller than the average particle size of the parent phase and is 50 nm or less, and the content x of the second phase M is 0 at% <x <2.5 at% .
In the step of producing the mixture, the Al raw material powder is further mixed so that the total valence electron number VEC per unit cell is 23.8 or more and 24.1 or less.
A method for manufacturing a p-type thermoelectric conversion material.
前記合金を、450℃以上800℃以下の温度で焼結することを特徴とする、請求項に記載のp型熱電変換材料の製造方法。 The method for producing a p-type thermoelectric conversion material according to claim 7 , wherein the alloy is sintered at a temperature of 450 ° C. or higher and 800 ° C. or lower. 前記混合物のアモルファス化を、メカニカルアロイング法により行うことを特徴とする請求項または請求項に記載のp型熱電変換材料の製造方法。 The method for producing a p-type thermoelectric conversion material according to claim 7 or 8 , wherein the mixture is amorphized by a mechanical alloying method. 前記M原料粉末は、p型熱電変換材料を構成する全体に対してM元素の含有量xが0at%<x<2.5at%となるように混合することを特徴とする請求項7~9のいずれか1項に記載のp型熱電変換材料の製造方法。 Claims 7 to 9 are characterized in that the M raw material powder is mixed so that the content x of the M element is 0 at% <x <2.5 at% with respect to the whole constituting the p-type thermoelectric conversion material. The method for producing a p-type thermoelectric conversion material according to any one of the above items. 前記M原料粉末として、WまたはTaを用いることを特徴とする請求項7~10のいずれか1項に記載のp型熱電変換材料の製造方法。 The method for producing a p-type thermoelectric conversion material according to any one of claims 7 to 10 , wherein W or Ta is used as the M raw material powder.
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