JP7217547B2 - A method for rapid production of n-type Mg3Sb2-based materials with high thermoelectric performance - Google Patents

A method for rapid production of n-type Mg3Sb2-based materials with high thermoelectric performance Download PDF

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Description

本発明は、新しいエネルギ材料の技術分野に関し、具体的には、熱電性能が高いn型Mg3Sb2ベース材料を迅速に製造する方法に関する。 The present invention relates to the technical field of new energy materials, and in particular to a method for rapidly producing n-type Mg 3 Sb 2 -based materials with high thermoelectric performance.

熱電材料は、材料内部のキャリア(電子又は正孔)とフォノンの輸送を利用して、電気エネルギと熱エネルギの相互変換を実現する新しい機能材料である。熱電変換技術は、汚染がなく、機械的可動部品がなく、騒音が発生せず、信頼性が高いなどという利点を有し、グリーンで環境に優しいエネルギ技術である。現在、熱電変換デバイスは、主に産業排熱、環境エネルギ回収、温度差熱電発電及び熱電冷凍などの面に応用される。例えば、温度差発電は、現在、主に航空宇宙、深海探査、工場廃熱回収及び高山極地探査などの分野に応用され、熱電冷凍は、主にいくつかのマイクロ冷凍デバイスに応用される。熱電材料の性能は、一般的には、無次元熱電性能指数(ZT)によって測定され、ZT値は式ZT=S2σT/によって表され、S、σ、T、κは、それぞれSeebeck係数、導電率、絶対温度、及び熱伝導率である。現在、従来の熱機関のエネルギ変換効率は35%であるのに対し、熱電材料のエネルギ変換効率は6~10%に過ぎないことは、熱電材料の大規模な応用を大きく制約する。1990年代、Slackらは、熱電材料に「フォノンガラス-電子結晶」という理想的な概念を提案し、優れた熱電材料はガラスと同様の低い熱伝導率と、結晶の良好な導電率とを備えるべきであることを示す。この概念の提案は、後続の充填スクッテルド鉱、かご状化合物などの特別なかご状構造を有する高性能熱電材料の発見を啓発した。21世紀の後、いくつかの熱電輸送の新しい理論及び新しいメカニズムの提案は、熱電材料の更なる発展を促進し、いくつかの熱電システムのZT値は、ひいては2を突破した。現在、主な熱電材料体系は、Bi2Te3ベース合金、酸化物熱電材料、かご状構造化合物、二次元層状熱電材料、Half-Heusler合金及びZintl相化合物などを有する。Mg3Sb2ベース熱電材料は、Zintl相化合物に属し、キャリア移動度が高く、固有格子熱伝導率が低く、「フォノンガラス-電子結晶」の輸送特性を備え、応用の将来性が高い熱電材料である。 Thermoelectric materials are new functional materials that realize interconversion of electrical energy and thermal energy by utilizing the transport of carriers (electrons or holes) and phonons inside the material. Thermoelectric conversion technology is a green and environmentally friendly energy technology with advantages such as no pollution, no mechanical moving parts, no noise, and high reliability. At present, thermoelectric conversion devices are mainly applied in industrial waste heat, environmental energy recovery, temperature difference thermoelectric generation and thermoelectric refrigeration. For example, temperature difference power generation is currently mainly applied in fields such as aerospace, deep-sea exploration, factory waste heat recovery and high-mountain polar exploration, and thermoelectric refrigeration is mainly applied in some micro-refrigeration devices. The performance of thermoelectric materials is commonly measured by the dimensionless thermoelectric figure of merit (ZT), where the ZT value is expressed by the formula ZT=S 2 σT/, where S, σ, T, κ are the Seebeck coefficients, electrical conductivity, absolute temperature, and thermal conductivity. Currently, the energy conversion efficiency of conventional heat engines is 35%, whereas the energy conversion efficiency of thermoelectric materials is only 6-10%, which greatly limits the large-scale application of thermoelectric materials. In the 1990s, Slack et al. proposed the ideal concept of "phonon glass-electron crystals" for thermoelectric materials, stating that a good thermoelectric material would have a low thermal conductivity similar to that of glass and the good conductivity of crystals. indicates that it should The proposal of this concept enlightened the subsequent discovery of high-performance thermoelectric materials with special cage-like structures such as filled skutterudite, cage-like compounds. After the 21st century, some new theories of thermoelectric transport and proposals of new mechanisms have promoted the further development of thermoelectric materials, and the ZT values of some thermoelectric systems have even exceeded 2. At present, the main thermoelectric material systems include Bi 2 Te 3 -based alloys, oxide thermoelectric materials, cage structure compounds, two-dimensional layered thermoelectric materials, Half-Heusler alloys and Zintl phase compounds. Mg 3 Sb 2 -based thermoelectric materials belong to Zintl phase compounds, have high carrier mobility, low intrinsic lattice thermal conductivity, and “phonon glass-electron crystal” transport properties, and are thermoelectric materials with high application prospects. is.

本発明の目的は、原料組成がMg3.2-xxSb1.5Bi0.5-ySeyであり、x=0~0.1、y=0~0.1、x、yが原子パーセンテージを表し、選択された原料価格が低く、一段階ボールミル法により、n型Mg3Sb2ベース熱電材料を迅速かつ高効率で、省エネルギで、低コストで製造することができ、製造方法が簡単で、グリーンで環境に優しく、純相のn型Mg3Sb2ベース熱電材料を大規模に迅速に製造することができ、該材料は、再現性が高く、熱安定性に優れ、0.90Wm-1-1の最低熱伝導率値を有し、623Kの時に2451.70μWm-1-2の最高電力因子を有し、現在の該システムの最高値となり、最高熱電性能指数ZT=1.8であり、現在の該システムの最大値の1つとなり、従来の高温溶融と二段階高エネルギボールミル法におけるMg元素が揮発し、固相反応封管条件が複雑で、製造過程と時間が長いという問題を解決する熱電性能が高いn型Mg3Sb2ベース熱電材料及びその製造方法を提供することである。 The object of the present invention is that the raw material composition is Mg 3.2-x Y x Sb 1.5 Bi 0.5-y Se y , where x=0 to 0.1, y=0 to 0.1, x and y represent atomic percentages. , the selected raw material price is low, and the n-type Mg3Sb2 - based thermoelectric material can be produced quickly, efficiently, energy-savingly and at low cost by the one-step ball mill method, the production method is simple, Green, environmentally friendly, phase-pure, n-type Mg 3 Sb 2 -based thermoelectric materials can be rapidly produced on a large scale, and the materials are highly reproducible, have excellent thermal stability, and are 0.90 W m −1 . It has the lowest thermal conductivity value of K −1 and the highest power factor of 2451.70 μW m −1 K −2 at 623 K, the highest value of the system to date, and the highest thermoelectric figure of merit ZT=1.8. is one of the maximum values of the current system, the Mg element volatilizes in the conventional high-temperature melting and two-stage high-energy ball milling method, the solid-phase reaction sealing tube conditions are complicated, and the manufacturing process and time are long. The object of the present invention is to provide an n-type Mg3Sb2 - based thermoelectric material with high thermoelectric performance that solves the problem and a method for producing the same.

本発明は、以下の技術的解決手段によって実現される: The present invention is realized by the following technical solutions:

熱電性能が高いn型Mg3Sb2ベース熱電材料であって、原料組成がMg3.2-xxSb1.5Bi0.5-ySeyであり、x=0~0.1、y=0~0.1、x、yが原子パーセンテージを表す。 An n-type Mg 3 Sb 2 based thermoelectric material with high thermoelectric performance having a raw material composition of Mg 3.2-x Y x Sb 1.5 Bi 0.5-y Se y where x=0-0.1 and y=0-0 .1, x, y represent atomic percentages.

好ましくは、x=0.01-0.07、y=0.01-0.07の時、材料の熱電性能が向上する。 Preferably, the thermoelectric performance of the material is enhanced when x=0.01-0.07 and y=0.01-0.07.

最も好ましくは、x=0.02、y=0.01の時、得られたn型Mg3Sb2熱電材料のZT値は、723Kの時に1.8である。 Most preferably, when x=0.02 and y=0.01, the ZT value of the resulting n - type Mg3Sb2 thermoelectric material is 1.8 at 723K.

前記熱電性能が高いn型Mg3Sb2ベース熱電材料の製造方法は、
高純度アルゴンの雰囲気の中で、化学組成Mg3.2-xxSb1.5Bi0.5-ySeyの化学計量比で、マグネシウム粉、アンチモン粉、ビスマス粉、イットリウム粉、セレン粉を順次計量するステップ(1)と、
高純度アルゴンの保護下で、計量された粉末をボールミルし、ボールミル機の回転速度が300~600r/minで、ボールミル時間が3~8hで、ボールミルした後に、均一に混合され、直径が500nm~1μmの粉末サンプルを得るステップ(2)と、
ステップ(2)で得られた粉末を直径が15mmのグラファイト金型に入れ、真空中で放電プラズマ焼結を経て、焼結の昇温速度が50~200℃/minであり、500℃~800℃、20MPa~60MPaで、5~15min保温し、純相のn型Mg3Sb2ベース熱電材料を得るステップ(3)と、を含む。
The method for producing the n-type Mg3Sb2 - based thermoelectric material with high thermoelectric performance comprises:
A step of sequentially weighing magnesium powder, antimony powder, bismuth powder, yttrium powder, and selenium powder in a chemical composition Mg3.2 -xYxSb1.5Bi0.5- ySey in an atmosphere of high-purity argon. (1) and
Under the protection of high-purity argon, the weighed powder is ball-milled, the rotation speed of the ball-mill machine is 300-600r/min, the ball-milling time is 3-8h. obtaining a 1 μm powder sample (2);
The powder obtained in step (2) was put into a graphite mold with a diameter of 15 mm, and was subjected to spark plasma sintering in vacuum, with a sintering temperature rising rate of 50-200°C/min and a temperature of 500°C-800°C. C. and 20 MPa-60 MPa for 5-15 min to obtain a pure phase n-type Mg 3 Sb 2 based thermoelectric material (3).

好ましくは、ステップ(1)における原料は、純度が99.999%の高純度アルゴンを充満したグローブボックス内で計量する。 Preferably, the raw materials in step (1) are weighed in a glove box filled with high purity argon with a purity of 99.999%.

好ましくは、ステップ(2)は、高純度アルゴンの保護下でボールミルし、ボール材料比が15:1であり、ボールミル機の回転速度が550r/minであり、ボールミル時間が5hであり、ボールミルの方式は、30min正回転する毎に、5min停止し、続いて30min逆回転する毎に、5min停止することである。 Preferably, step (2) is ball milling under the protection of high-purity argon, the ball material ratio is 15:1, the rotation speed of the ball mill is 550 r/min, the ball milling time is 5h, and the ball mill is The method is to stop for 5 minutes after every 30 minutes of forward rotation, and then to stop for 5 minutes after every 30 minutes of reverse rotation.

好ましくは、ステップ(3)では、昇温速度が50℃/minであり、650℃、50Mpaで、10min保温する。 Preferably, in step (3), the heating rate is 50° C./min, and the temperature is maintained at 650° C. and 50 MPa for 10 minutes.

本発明の有益な効果は以下のとおりである:
1)本発明で製造されたn型Mg3Sb2ベース熱電材料は、現在市販されているBi2Te3ベース材料と比較して、原料コストが低いという特徴を有し、且つ一段階ボールミル法により、n型Mg3Sb2ベース熱電材料を迅速かつ高効率で、省エネルギで、低コストで製造することができ、製造過程での操作が簡単で、省エネルギで環境に優しく、純相のn型Mg3Sb2ベース熱電材料を大規模に製造することができる。
2)本発明で製造されたn型Mg3Sb2ベース熱電材料は、高純度、高結晶度の利点を有し、再現性が高く、熱安定性と機械的強度に優れ、最高電力因子が2451.70μWm-1-2であり、現在の該システムの最高値となり、723Kの時に、最高ZTが1.8であり、現在の該システムの最高値の1つとなる。
3)本発明で製造されたn型Mg3Sb2ベース熱電材料は、放電プラズマ焼結を採用し、純相のMg3Sb2ベース熱電材料を迅速に合成することに成功し、従来の高温溶解と二段階高エネルギボールミル法におけるMg元素が揮発し、封管条件が複雑で、不純物含有量が高く、高エネルギボールミルの価格が高いなどという欠点を回避する。
4)本発明で製造されたn型Mg3Sb2ベース熱電材料は、微細構造(ナノ結晶粒及びナノ層状構造)を導入し、723Kの時に、0.90Wm-1-1の最低熱伝導率値を有し、現在の該システムの最低値となる。
Beneficial effects of the present invention are:
1) The n-type Mg3Sb2 - based thermoelectric material produced by the present invention has the characteristics of low raw material cost compared with the current commercially available Bi2Te3 - based material, and can be manufactured by a one-step ball milling process. allows the n-type Mg3Sb2 - based thermoelectric materials to be produced quickly, efficiently, energy-savingly, and at low cost, and is easy to operate in the production process, energy-saving, environmentally friendly, and phase-pure. N-type Mg 3 Sb 2 based thermoelectric materials can be produced on a large scale.
2) The n-type Mg3Sb2 - based thermoelectric material produced by the present invention has the advantages of high purity, high crystallinity, high reproducibility, excellent thermal stability and mechanical strength, and the highest power factor is 2451.70 μWm −1 K −2 , which is the highest value of the present system, and at 723 K, the highest ZT is 1.8, one of the highest values of the present system.
3 ) The n-type Mg3Sb2 - based thermoelectric material produced in the present invention adopts spark plasma sintering, successfully synthesizing a pure-phase Mg3Sb2 - based thermoelectric material rapidly, which is superior to conventional high-temperature Avoid the drawbacks of melting and two-stage high-energy ball milling, such as Mg element volatilization, complicated sealing conditions, high impurity content, and high price of high-energy ball milling.
4) The n-type Mg 3 Sb 2 based thermoelectric material produced in the present invention introduces a microstructure (nanocrystalline grains and nanolamellar structures) with a minimum thermal conductivity of 0.90 Wm −1 K −1 at 723K. It has a rate value and is currently the lowest value in the system.

X線回折装置を採用して実施例のサンプルを物相分析して得られたXRD図であり、(a)は本発明の実施例1であり、(b)は本発明の実施例2であり、(c)は本発明の実施例3であり、(d)は本発明の実施例4であり、(e)は本発明の実施例5であり、(f)は本発明の実施例6である。図から分かるように、本発明の製造方法は、高純度、高結晶度のMg3Sb2ベース材料を得ることができる。It is an XRD diagram obtained by physical phase analysis of the sample of the example using an X-ray diffraction device, (a) is Example 1 of the present invention, and (b) is Example 2 of the present invention. (c) is Example 3 of the present invention, (d) is Example 4 of the present invention, (e) is Example 5 of the present invention, and (f) is Example of the present invention is 6. As can be seen, the manufacturing method of the present invention can obtain Mg 3 Sb 2 base material with high purity and high crystallinity. 実施例1、実施例2及び実施例3における電力因子が温度に応じて変化する比較図である。FIG. 10 is a comparison diagram showing power factors in Example 1, Example 2, and Example 3 that change according to temperature; 実施例1、実施例2及び実施例3における熱伝導率が温度に応じて変化する比較図である。FIG. 3 is a comparison diagram showing changes in thermal conductivity according to temperature in Examples 1, 2, and 3; 実施例1、実施例2及び実施例3における熱電性能指数ZTが温度に応じて変化する比較図である。FIG. 3 is a comparison diagram showing the thermoelectric figure of merit ZT in Example 1, Example 2, and Example 3 that changes according to temperature. 実施例4、実施例5及び実施例6における電力因子が温度に応じて変化する比較図である。FIG. 10 is a comparison diagram showing power factors in Example 4, Example 5, and Example 6 that change according to temperature; 実施例4、実施例5及び実施例6における熱伝導率が温度に応じて変化する比較図である。FIG. 10 is a comparison diagram showing changes in thermal conductivity according to temperature in Examples 4, 5, and 6; 実施例4、実施例5、実施例6における熱電性能指数ZTが温度に応じて変化する比較図である。FIG. 8 is a comparison diagram showing the thermoelectric figure of merit ZT in Examples 4, 5, and 6 that changes according to temperature. 実施例7、実施例8及び実施例9における電力因子が温度に応じて変化する比較図である。FIG. 11 is a comparison diagram showing power factors in Example 7, Example 8, and Example 9 that change according to temperature; 実施例7、実施例8及び実施例9における熱伝導率が温度に応じて変化する比較図である。FIG. 10 is a comparison diagram showing changes in thermal conductivity according to temperature in Examples 7, 8, and 9; 実施例7、実施例8及び実施例9における熱電性能指数ZTが温度に応じて変化する比較図である。FIG. 10 is a comparison diagram showing the thermoelectric figure of merit ZT in Examples 7, 8, and 9 that changes according to temperature. 実施例10と実施例11における電力因子が温度に応じて変化する比較図である。FIG. 11 is a comparison diagram showing power factors in Example 10 and Example 11 that change according to temperature. 実施例10と実施例11における熱伝導率が温度に応じて変化する比較図である。FIG. 11 is a comparison diagram showing changes in thermal conductivity according to temperature in Examples 10 and 11; 実施例10と実施例11における熱電性能指数ZTが温度に応じて変化する比較図である。FIG. 11 is a comparison diagram showing the thermoelectric figure of merit ZT in Examples 10 and 11 that changes according to temperature. 実施例5におけるサンプルの走査型電子顕微鏡写真である。4 is a scanning electron micrograph of a sample in Example 5. FIG. 実施例5におけるサンプルの透過型電子顕微鏡写真である。4 is a transmission electron micrograph of a sample in Example 5. FIG.

以下は、本発明を限定するものではなく、本発明に対する更なる説明である。 The following is a further description of the invention without limiting the invention.

例1:
(1)原料マグネシウム粉、アンチモン粉、ビスマス粉、セレン粉を、純度が99.999%の高純度アルゴンを充満したグローブボックスに、化学組成Mg3.2-xxSb1.5Bi0.5-ySey(x=0、y=0.01)の化学計量比で順次計量し、ステンレス製ボールミルポットに入れ、ボール材料比が15:1である。
Example 1:
(1) Raw material magnesium powder, antimony powder, bismuth powder, and selenium powder are placed in a glove box filled with high-purity argon with a purity of 99.999%, and the chemical composition is Mg 3.2-x Y x Sb 1.5 Bi 0.5-y Se y Weigh sequentially with a stoichiometric ratio of (x=0, y=0.01) and put into a stainless steel ball mill pot with a ball material ratio of 15:1.

(2)ボールミルポットを遊星ボールミルに装着し、アルゴンの保護下で1hボールミルし、粒径が500nm~1μmの粉末を得て、ボールミル機の回転速度が300r/minであり、ボールミルの方式は、30min正回転する毎に、5min停止し、続いて30min逆回転する毎に、5min停止することである。 (2) The ball mill pot is installed in a planetary ball mill, ball milled for 1 h under the protection of argon to obtain a powder with a particle size of 500 nm to 1 μm, the rotation speed of the ball mill machine is 300 r/min, and the ball mill method is: It is to stop for 5 minutes every time it rotates forward for 30 minutes, and then stop for 5 minutes every time it rotates reversely for 30 minutes.

(3)ステップ(2)で得られた粉末を直径が15mmのグラファイト金型に入れ、放電プラズマ焼結温度を550℃にし、昇温速度を100℃/minにし、圧力を20Mpaにし、5min保温する。
本実施例で製造されたサンプルの最高電力因子は1463.25μWm-1-2であり、最低熱伝導率は1.03Wm-1-1であり、熱電性能指数ZT=0.99である。
(3) Put the powder obtained in step (2) into a graphite mold with a diameter of 15 mm, set the discharge plasma sintering temperature to 550 ° C., the heating rate to 100 ° C./min, the pressure to 20 Mpa, and keep warm for 5 min. do.
The highest power factor of the sample produced in this example is 1463.25 μW m −1 K −2 , the lowest thermal conductivity is 1.03 W m −1 K −1 , and the thermoelectric figure of merit ZT=0.99. .

例2:
実施例1を参照すると、ステップ(2)では、ボールミル機の回転速度が600r/minであり、ステップ(3)では、放電プラズマ焼結温度を750℃にし、昇温速度を150℃/minにし、圧力を40Mpaにし、5min保温するという点で異なる。
Example 2:
Referring to Example 1, in step (2), the rotation speed of the ball mill machine is 600 r/min, and in step (3), the discharge plasma sintering temperature is 750 ° C. and the heating rate is 150 ° C./min. , the pressure is set to 40 Mpa and kept warm for 5 min.

本実施例で製造されたサンプルの最高電力因子は1478.14μWm-1-2であり、最低熱伝導率は1.01Wm-1-1であり、熱電性能指数ZT=0.98である。 The highest power factor of the sample produced in this example is 1478.14 μW m −1 K −2 , the lowest thermal conductivity is 1.01 W m −1 K −1 , and the thermoelectric figure of merit ZT=0.98. .

例3:
実施例1を参照すると、ステップ(2)では、ボールミル機の回転速度が550r/minであり、ステップ(3)では、放電プラズマ焼結温度を650℃にし、昇温速度を50℃/minにし、圧力を50Mpaにし、10min保温するという点で異なる。
Example 3:
Referring to Example 1, in step (2), the rotation speed of the ball mill machine is 550 r/min, and in step (3), the spark plasma sintering temperature is 650 ° C. and the heating rate is 50 ° C./min. , the pressure is set to 50Mpa and the temperature is maintained for 10min.

本実施例で製造されたサンプルの最高電力因子は1843.20μWm-1-2であり、最低熱伝導率は0.99Wm-1-1であり、熱電性能指数ZT=1.25である。 The highest power factor of the sample produced in this example is 1843.20 μW m −1 K −2 , the lowest thermal conductivity is 0.99 W m −1 K −1 , and the thermoelectric figure of merit ZT=1.25. .

例4:
実施例3を参照すると、ステップ(1)では、原料マグネシウム粉、アンチモン粉、ビスマス粉、イットリウム粉、セレン粉を、純度が99.999%の高純度アルゴンを充満したグローブボックスに、化学組成Mg3.2-xxSb1.5Bi0.5-ySey(x=0.01、y=0.01)の化学計量比で順次計量し、ステンレス製ボールミルポットに入れ、ボール材料比が15:1であるという点で異なる。
Example 4:
Referring to Example 3, in step (1), the raw material magnesium powder, antimony powder, bismuth powder, yttrium powder, and selenium powder are placed in a glove box filled with high-purity argon with a purity of 99.999%, and the chemical composition Mg 3.2-x Y x Sb 1.5 Bi 0.5-y Se y (x = 0.01, y = 0.01) were weighed sequentially with a chemical weighing ratio, placed in a stainless steel ball mill pot, and the ball material ratio was 15:1. It differs in that there is

本実施例で製造されたサンプルの最高電力因子は2093.97μWm-1-2であり、最低導電率は1.05Wm-1-1であり、熱電性能指数ZT=1.36である。 The sample produced in this example has a highest power factor of 2093.97 μW m −1 K −2 , a lowest conductivity of 1.05 W m −1 K −1 , and a thermoelectric figure of merit ZT=1.36.

例5:
実施例3を参照すると、ステップ(1)では、原料マグネシウム粉、アンチモン粉、ビスマス粉、イットリウム粉、セレン粉を、純度が99.999%の高純度アルゴンを充満したグローブボックスに、化学組成Mg3.2-xxSb1.5Bi0.5-ySey(x=0.02、y=0.01)の化学計量比で順次計量し、ステンレス製ボールミルポットに入れ、ボール材料比が15:1であるという点で異なる。
Example 5:
Referring to Example 3, in step (1), the raw material magnesium powder, antimony powder, bismuth powder, yttrium powder, and selenium powder are placed in a glove box filled with high-purity argon with a purity of 99.999%, and the chemical composition Mg 3.2-x Y x Sb 1.5 Bi 0.5-y Se y (x = 0.02, y = 0.01) were weighed sequentially with a chemical weighing ratio, placed in a stainless steel ball mill pot, and the ball material ratio was 15:1. It differs in that there is

本実施例で製造されたサンプルの最高電力因子は2451.70μWm-1-2であり、最低熱伝導率は0.90Wm-1-1であり、熱電性能指数ZT=1.80である。 The highest power factor of the sample produced in this example is 2451.70 μW m −1 K −2 , the lowest thermal conductivity is 0.90 W m −1 K −1 , and the thermoelectric figure of merit ZT=1.80. .

例6:
実施例3を参照すると、ステップ(1)では、原料マグネシウム粉、アンチモン粉、ビスマス粉、イットリウム粉、セレン粉を、純度が99.999%の高純度アルゴンを充満したグローブボックスに、化学組成Mg3.2-xxSb1.5Bi0.5-ySey(x=0.03、y=0.01)の化学計量比で順次計量し、ステンレス製ボールミルポットに入れ、ボール材料比が15:1であるという点で異なる。
Example 6:
Referring to Example 3, in step (1), the raw material magnesium powder, antimony powder, bismuth powder, yttrium powder, and selenium powder are placed in a glove box filled with high-purity argon with a purity of 99.999%, and the chemical composition Mg 3.2-x Y x Sb 1.5 Bi 0.5-y Se y (x = 0.03, y = 0.01) were weighed sequentially with a chemical weighing ratio, placed in a stainless steel ball mill pot, and the ball material ratio was 15:1. It differs in that there is

本実施例で製造されたサンプルの最高電力因子は1989.42μWm-1-2であり、最低熱伝導率は0.93Wm-1-1であり、熱電性能指数ZT=1.50である。 The highest power factor of the sample produced in this example is 1989.42 μW m −1 K −2 , the lowest thermal conductivity is 0.93 W m −1 K −1 , and the thermoelectric figure of merit ZT=1.50. .

例7:
実施例3を参照すると、ステップ(1)では、原料マグネシウム粉、アンチモン粉、ビスマス粉、イットリウム粉、セレン粉を、純度が99.999%の高純度アルゴンを充満したグローブボックスに、化学組成Mg3.2-xxSb1.5Bi0.5-ySey(x=0、y=0.02)の化学計量比で順次計量し、ステンレス製ボールミルポットに入れ、ボール材料比が15:1であるという点で異なる。
Example 7:
Referring to Example 3, in step (1), the raw material magnesium powder, antimony powder, bismuth powder, yttrium powder, and selenium powder are placed in a glove box filled with high-purity argon with a purity of 99.999%, and the chemical composition Mg 3.2-x Y x Sb 1.5 Bi 0.5-y Se y (x = 0, y = 0.02) were weighed sequentially with a chemical weighing ratio, placed in a stainless steel ball mill pot, and the ball material ratio was 15:1. different in that respect.

本実施例で製造されたサンプルの最高電力因子は1680.12μWm-1-2であり、最低熱伝導率1.01Wm-1-1であり、熱電性能指数ZT=1.19である。 The sample produced in this example has a highest power factor of 1680.12 μW m −1 K −2 , a lowest thermal conductivity of 1.01 W m −1 K −1 , and a thermoelectric figure of merit ZT=1.19.

例8:
実施例3を参照すると、ステップ(1)では、原料マグネシウム粉、アンチモン粉、ビスマス粉、イットリウム粉、セレン粉を、純度が99.999%の高純度アルゴンを充満したグローブボックスに、化学組成Mg3.2-xxSb1.5Bi0.5-ySey(x=0、y=0.03)の化学計量比で順次計量し、ステンレス製ボールミルポットに入れ、ボール材料比が15:1であるという点で異なる。
Example 8:
Referring to Example 3, in step (1), the raw material magnesium powder, antimony powder, bismuth powder, yttrium powder, and selenium powder are placed in a glove box filled with high-purity argon with a purity of 99.999%, and the chemical composition Mg 3.2-x Y x Sb 1.5 Bi 0.5-y Se y (x = 0, y = 0.03) were weighed sequentially with a chemical weighing ratio, placed in a stainless steel ball mill pot, and the ball material ratio was 15:1. different in that respect.

本実施例で製造されたサンプルの最高電力因子は1710.58μWm-1-2であり、最低熱伝導率は1.04Wm-1-1であり、熱電性能指数ZT=1.18である。 The highest power factor of the sample produced in this example is 1710.58 μW m −1 K −2 , the lowest thermal conductivity is 1.04 W m −1 K −1 , and the thermoelectric figure of merit ZT=1.18. .

例9:
実施例3を参照すると、ステップ(1)では、原料マグネシウム粉、アンチモン粉、ビスマス粉、イットリウム粉、セレン粉を、純度が99.999%の高純度アルゴンを充満したグローブボックスに、化学組成Mg3.2-xxSb1.5Bi0.5-ySey(x=0、y=0.04)の化学計量比で順次計量し、ステンレス製ボールミルポットに入れ、ボール材料比が15:1であるという点で異なる。
Example 9:
Referring to Example 3, in step (1), the raw material magnesium powder, antimony powder, bismuth powder, yttrium powder, and selenium powder are placed in a glove box filled with high-purity argon with a purity of 99.999%, and the chemical composition Mg 3.2-x Y x Sb 1.5 Bi 0.5-y Se y (x = 0, y = 0.04) were weighed sequentially with a stoichiometric ratio, placed in a stainless steel ball mill pot, and the ball material ratio was 15:1. different in that respect.

本実施例で製造されたサンプルの最高電力因子は1581.16μWm-1-2であり、最低熱伝導率は1.08Wm-1-1であり、熱電性能指数ZT=1.05である。 The highest power factor of the sample produced in this example is 1581.16 μW m −1 K −2 , the lowest thermal conductivity is 1.08 W m −1 K −1 , and the thermoelectric figure of merit ZT=1.05. .

例10:
実施例3を参照すると、ステップ(1)では、原料マグネシウム粉、アンチモン粉、ビスマス粉、イットリウム粉、セレン粉を、純度が99.999%の高純度アルゴンを充満したグローブボックスに、化学組成Mg3.2-xxSb1.5Bi0.5-ySey(x=0、y=0.07)の化学計量比で順次計量し、ステンレス製ボールミルポットに入れ、ボール材料比が15:1であるという点で異なる。
Example 10:
Referring to Example 3, in step (1), the raw material magnesium powder, antimony powder, bismuth powder, yttrium powder, and selenium powder are placed in a glove box filled with high-purity argon with a purity of 99.999%, and the chemical composition Mg 3.2-x Y x Sb 1.5 Bi 0.5-y Se y (x = 0, y = 0.07) were weighed sequentially with a chemical weighing ratio, placed in a stainless steel ball mill pot, and the ball material ratio was 15:1. different in that respect.

本実施例で製造されたサンプルの最高電力因子は1671.16μWm-1-2であり、最低熱伝導率は0.94Wm-1-1であり、熱電性能指数ZT=1.01である。 The highest power factor of the sample produced in this example is 1671.16 μW m −1 K −2 , the lowest thermal conductivity is 0.94 W m −1 K −1 , and the thermoelectric figure of merit ZT=1.01. .

例11:
実施例3を参照すると、ステップ(1)では、原料マグネシウム粉、アンチモン粉、ビスマス粉、イットリウム粉、セレン粉を、純度が99.999%の高純度アルゴンを充満したグローブボックスに、化学組成Mg3.2-xxSb1.5Bi0.5-ySey(x=0.07、y=0.01)の化学計量比で順次計量し、ステンレス製ボールミルポットに入れ、ボール材料比が15:1であるという点で異なる。
Example 11:
Referring to Example 3, in step (1), the raw material magnesium powder, antimony powder, bismuth powder, yttrium powder, and selenium powder are placed in a glove box filled with high-purity argon with a purity of 99.999%, and the chemical composition Mg 3.2-x Y x Sb 1.5 Bi 0.5-y Se y (x = 0.07, y = 0.01) were weighed sequentially with a chemical weighing ratio, placed in a stainless steel ball mill pot, and the ball material ratio was 15:1. It differs in that there is

本実施例で製造されたサンプルの最高電力因子は2090.18μWm-1-2であり、最低熱伝導率は1.07Wm-1-1であり、熱電性能指数ZT=1.46である。 The highest power factor of the sample produced in this example is 2090.18 μW m −1 K −2 , the lowest thermal conductivity is 1.07 W m −1 K −1 , and the thermoelectric figure of merit ZT=1.46. .

Claims (6)

n型MgSbベース熱電材料の製造方法であって、原料組成がMg3.2-xSb1.5Bi0.5-ySeであり、x=0~0.1、y=0~0.1、x、yが原子パーセンテージを表
アルゴンの雰囲気の中で、化学組成Mg 3.2-x Sb 1.5 Bi 0.5-y Se の化学計量比で、マグネシウム粉、アンチモン粉、ビスマス粉、イットリウム粉、セレン粉を順次計量するステップ(1)と、
アルゴンの保護下で、計量された粉末をボールミルし、ボールミル機の回転速度が300~600r/minで、ボールミル時間が3~8hで、ボールミルした後に、均一に混合され、直径が500nm~1μmの粉末サンプルを得るステップ(2)と、
ステップ(2)で得られた粉末を直径が15mmのグラファイト金型に入れ、真空で放電プラズマ焼結を経て、焼結の昇温速度が50~200℃/minであり、500℃~800℃、20MPa~60MPaで、5~15min保温し、n型Mg Sb ベース熱電材料を得るステップ(3)と、を含む、
ことを特徴とするn型MgSbベース熱電材料の製造方法
A method for producing an n-type Mg 3 Sb 2 based thermoelectric material, wherein the raw material composition is Mg 3.2-x Y x Sb 1.5 Bi 0.5-y Se y , x=0-0.1, y = 0 to 0.1, x, y represent atomic percentages,
In an argon atmosphere , magnesium powder, antimony powder, bismuth powder, yttrium powder, and selenium powder were mixed in a stoichiometric ratio of the chemical composition Mg 3.2-x Y x Sb 1.5 Bi 0.5-y Se y . step (1) of weighing sequentially;
Under the protection of argon, the weighed powder is ball-milled, the rotation speed of the ball-mill machine is 300-600r/min, the ball-milling time is 3-8h, and the powder is uniformly mixed after ball-milling, and the diameter is 500nm-1μm. obtaining a powder sample (2);
The powder obtained in step (2) is placed in a graphite mold with a diameter of 15 mm, and is sintered in vacuum by spark plasma, with a sintering temperature rising rate of 50-200°C/min, and 500-800°C. , heat-retaining at 20 MPa-60 MPa for 5-15 min to obtain an n-type Mg 3 Sb 2 -based thermoelectric material (3);
A method for producing an n-type Mg 3 Sb 2 based thermoelectric material, characterized by:
x=0.01-0.07の時、y=0.01-0.07、である、
求項1に記載のn型MgSbベース熱電材料の製造方法
When x = 0.01-0.07, y = 0.01-0.07 ,
A method for producing an n-type Mg 3 Sb 2 based thermoelectric material according to claim 1 .
x=0.02、y=0.01、である、
求項1に記載のn型MgSbベース熱電材料の製造方法
x = 0.02, y = 0.01 ,
A method for producing an n-type Mg 3 Sb 2 based thermoelectric material according to claim 1 .
前記ステップ(1)における原料は、純度が99.999%のアルゴンを充満したグローブボックス内で計量する、
ことを特徴とする請求項に記載のn型MgSbベース熱電材料の製造方法。
The raw materials in step (1) are weighed in a glove box filled with argon with a purity of 99.999%,
The method for producing n-type Mg3Sb2 - based thermoelectric material according to claim 1 , characterized in that:
前記ステップ(2)は、アルゴンの保護下でボールミルし、ボール材料比が15:1であり、ボールミル機の回転速度が550r/minであり、ボールミル時間が5hであり、ボールミルの方式は、30min正回転する毎に、5min停止し、続いて30min逆回転する毎に、5min停止することである、
ことを特徴とする請求項に記載のn型MgSbベース熱電材料の製造方法。
The step (2) is ball milling under the protection of argon, the ball material ratio is 15:1, the rotation speed of the ball milling machine is 550r/min, the ball milling time is 5h, and the ball milling mode is 30min. It is to stop for 5 minutes each time it rotates forward, and then for 5 minutes every time it rotates reversely for 30 minutes.
The method for producing n-type Mg3Sb2 - based thermoelectric material according to claim 4 , characterized in that:
前記ステップ(3)では、昇温速度が50℃/minであり、650℃、50Mpaで、10min保温する、
ことを特徴とする請求項に記載のn型MgSbベース熱電材料の製造方法。
In the step (3), the heating rate is 50 ° C./min, and the temperature is kept at 650 ° C. and 50 Mpa for 10 min.
The method for producing n-type Mg3Sb2 - based thermoelectric material according to claim 4 , characterized in that:
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