JPH06120568A - 熱電変換材料の製造法 - Google Patents

熱電変換材料の製造法

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JPH06120568A
JPH06120568A JP4264725A JP26472592A JPH06120568A JP H06120568 A JPH06120568 A JP H06120568A JP 4264725 A JP4264725 A JP 4264725A JP 26472592 A JP26472592 A JP 26472592A JP H06120568 A JPH06120568 A JP H06120568A
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JP
Japan
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thermoelectric conversion
conversion material
powder
raw material
mixing
Prior art date
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Application number
JP4264725A
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English (en)
Inventor
Tatsuo Tokiai
健生 時合
Takashi Uesugi
隆 上杉
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Idemitsu Petrochemical Co Ltd
Original Assignee
Idemitsu Petrochemical Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 シリコンとゲルマニウムからなる金属粉末を
成形、焼結して熱電特性の向上及び安定性と機械的強度
に優れた熱電変換素子を開発すること。 【構成】 シリコンとゲルマニウムからなる金属粉末を
共粉砕・混合した後、成形し、熱間等方加圧によって焼
結する熱電変換素子の製造法。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、熱電変換材料の製造法
に関し、詳しくは、熱電特性に優れる熱電変換材料をプ
ロセスの簡略化によって低コストで得ることができると
ともに、機械的強度に優れた熱電変換材料の製造法に関
するものである。
【0002】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】熱電変
換材料から製造される熱電変換素子は、熱電発電や温度
センサー等に広く使用されている。この素子用の熱電変
換材料の製造方法としては、従来種々の手法が提案され
ている。例えば、シリコン−ゲルマニウム系の熱電変換
材料については、一般的に、先ず、シリコンとゲルマニ
ウムの金属粉末を溶融することによってシリコン−ゲル
マニウムの固溶体あるいは合金を造る。次いで、得られ
た固溶体あるいは合金を、粉砕処理によって粉末化した
後、成形し、焼結することによって熱電変換材料を製造
している。すなわち、従来法では、金属粉末の混合,
焼結による固溶体あるいは合金の作製,固溶体ある
いは合金の粉砕、分級,成形,焼結と製造工程が多
く、その製造プロセスは複雑化している。そして、得ら
れる熱電変換材料は、性能指数が低く〔Z=0.65×10
-3/K(1,000K)〕、また機械的強度も低いなどの
欠点を有する。さらに、熱電変換材料からの素子形状の
多様化ができない欠点がある。
【0003】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明者らは、
従来法の欠点を解消して、熱電特性が優れるとともに、
品質的に安定した熱電変換素子を効率よく得ることがで
きる熱電変換材料の製造方法を開発すべく鋭意研究を重
ねた。その結果、原料の金属粉末の混合に工夫を加える
ことによって工程を簡略化することができ、しかも、得
られる混合粉末を成形した後、熱間等方加圧により焼結
することによって目的とする熱電変換材料の得られるこ
とを見出した。本発明はかかる知見に基いて完成したも
のである。
【0004】すなわち、本発明は、シリコンとゲルマニ
ウムの金属粉末の混合物を共粉砕・混合した後、成形
し、熱間等方加圧によって焼結することを特徴とする熱
電変換材料の製造法を提供するものである。本発明の製
造法において、原料粉末としては、シリコンとゲルマニ
ウムの金属粉末の混合物あるいはシリコンとゲルマニウ
ムの金属粉末にドーパントを配合した混合物が使用され
る。ここで、シリコンとゲルマニウムの金属粉末に配合
することができるドーパントとしては、例えば、ガリウ
ム,リン,ホウ素,アルミニウム,インジウム,アンチ
モン,ヒ素などが挙げられる。これらのドーパントを用
いる場合には、上記のドーパントから選ばれた少なくと
も一種を配合することによって原料粉末は調製される。
原料粉末の調製にあたって、ドーパントは、通常、シリ
コンとゲルマニウムの金属粉末に対して、0.01〜10
重量%の割合で配合され、良好な作用効果を示す。
【0005】熱電変換材料の製造にあたり、このシリコ
ンとゲルマニウムの金属粉末の混合物あるいはシリコン
とゲルマニウムの金属粉末にドーパントを配合した原料
粉末は、所望される特性にしたがって、それぞれを適宜
割合で混合し、粉砕される。本発明においては、この金
属粉末の混合を、混合と粉砕を同時に行う共粉砕・混合
によって充分に混合させることを特徴とするものであ
る。この金属粉末の共粉砕・混合によって、従来法にお
いて実施されていた金属粉末の合金化あるいは固溶体化
のプロセス及び合金あるいは固溶体の粉砕、分級工程を
省略することができ、製造工程を大幅に簡略化すること
ができる。この共粉砕・混合にあたっては、混合・粉砕
を同時に進行させることによって原料の均一化及び粒子
径をさらに小さくすることができる。更に、メカニカル
アロイング効果によって、Six Ge1-x 〔式中、xは
0.5≦x≦0.9である。〕の合金を生成し、焼結の反応
前駆体を生成させる。この共粉砕・混合は、ボールミ
ル,衝撃微粉砕機,ジェット粉砕機,塔式摩擦機等の混
合と粉砕を同時に行う手段によって行うことができる。
これらの手段のなかでは、ボールミル,特に、落下式で
なく遊星型強力ボールミルを使用することが好ましい。
また、混合時の状態は、乾式あるいは湿式のいずれでも
よく、例えば、湿式で行う場合には、混合助剤として
は、エタノールやブタノール等のアルコール類や各種の
溶媒を用いて行うことができる。上記共粉砕・混合の混
合力や混合時間は、 粉砕・混合後の粉末原料の平均粒径
が0.1〜100μm、 好ましくは0.1〜30μm程度と
なるように設定することが望ましい。ここで、粒径が1
00μmを超えると、均一性の低下を招き好ましくな
い。また、粉末原料の粒径は、小さい方がよいが、0.1
μm以下にするためには多大のエネルギーを消費し、そ
のエネルギー消費の割には、それに見合う特性の向上は
見られず、したがって0.1〜100μm程度で十分であ
る。
【0006】本発明の製造法では、このように共粉砕・
混合された粉末原料(微粉末)を成形し、熱間等方加圧
によって焼結する。ここで、粉末原料を成形するには、
常圧あるいは加圧下、例えば、プレス成形や冷間等方加
圧成形(CIP成形)等の加圧手段により希望する形状
に加圧成形することができる。この加圧成形は、必要に
応じてポリビニルアルコール等のバインダー成分を添加
して行うことができる。そして、加圧成形時の圧力は、
粉末原料の組成や粒径により異なるが、通常は1〜20
ton /cm2 、好ましくは2〜15ton /cm2 が適当
である。成形方法としては、上記加圧成形の他、押出成
形,射出成形,コーティング,スクリーン印刷法など任
意の成形方法を採用することができる。
【0007】熱電変換材料は、前記のように処理して得
られる粉末原料(微粉末)を、成形し、焼結処理を行う
ことによって得られる。本発明の製造法では、この焼結
処理として、熱間等方加圧により焼結することを特徴と
する。これによって目的とする熱電変換材料を製造する
ことができる。すなわち、この焼結処理によって得られ
る焼結体が熱電変換素子としての機能を発揮することと
なる。この熱間等方加圧法による焼結処理は、不活性ガ
ス中、例えば、アルゴン,窒素,水素あるいはこれらの
混合ガス等の雰囲気下で行われる。そして、その焼結温
度は、原料粉末の種類,組成比等により適宜選択される
が、 通常は400〜1,250℃の範囲で行うことができ
る。かかる焼結ピーク温度に到達した後、該温度に所定
時間保持して、前記成形体を焼結することによって、目
的の熱電変換材料を得ることができる。焼結時間は、通
常0.5〜30時間である。そして、加圧下にて行う場
合、好ましくは、500〜10,000kg/cm2 で等
方加圧して焼結される。
【0008】このように、本発明によって得られる熱電
変換材料は、各原料粉末が原子レベルで合金化したもの
となるため、熱電特性の安定性に優れると共に、得られ
た焼結体が均一となり、機械的強度の増加及びこの熱電
変換材料を用いて造られた素子への電極材料の取付けが
確実になり効果的である。そして、本発明の製造法は、
前記した従来法に比べて、原料粉末の共粉砕・混合,
成形,熱間等方加圧による焼結と工程が少なく、大
幅に簡略化され、非常に効率的に熱電変換材料を製造す
ることができる。
【0009】
【実施例】更に、本発明を実施例および比較例により詳
しく説明するが、本発明は、これらの実施例によって限
定されるものではない。 実施例1 各原料粉末は、「Si0.80Ge0.20+0.08重量%B」
になるように所定量を秤量し調製した。この原料粉末1
00g にエタノールを1ミリリットル/gの割合で加
え、遊星型湿式ボールミル(ボール径10mm×50
個)にて800rpm,1時間で共粉砕・混合を行って
共粉砕混合粉末(粉末原料)を得た。この粉末原料の粒
径は平均で約2μmであった。次いで、得られた粉末原
料を用い、直径10mmφ,厚さ3mmのディスク状
に、4.0ton /cm2 の圧力で3分間冷間等方加圧成形
した。得られた成形体を、アルゴン気流中、焼結ピーク
温度1,150℃,2,200kg/cm2 ・Gの条件で3
時間にわたり、熱間等方加圧法(HIP法)によって焼
結処理してp型熱電変換材料を得た。得られた熱電変換
材料の品質評価として、727℃における熱電特性を測
定した。その測定結果を第1表に示す。
【0010】比較例1 実施例1の粉末原料を用い、4.0ton /cm2 の圧力で
3分間冷間等方加圧成形した。得られた成形体を1.33
×10-4Pa(10-6torr)の真空中で、1,130℃,1,
570kg/cm2 ・Gで45分間ホットプレスを行っ
て熱電変換材料を得た。得られた熱電変換材料の品質評
価として、727℃における熱電特性を測定した。その
測定結果を第1表に示す。
【0011】実施例2 実施例1で調製した原料粉末を用い、遊星型湿式ボール
ミルの粉砕条件を1,700rpm,1時間で共粉砕・混
合を行った以外は、実施例1と同様に実施した。なお、
得られた粉末原料の粒径は平均で約0.2μmであった。
得られた熱電変換材料の品質評価として、727℃にお
ける熱電特性を測定した。その測定結果を第1表に示
す。
【0012】比較例2 実施例2の粉末原料を用いた以外は、比較例1と同様に
実施した。但し、焼結温度は、1,252℃とした。得ら
れた熱電変換材料の品質評価として、727℃における
熱電特性を測定した。その測定結果を第1表に示す。
【0013】
【表1】
【0014】
【発明の効果】以上、説明したように、原料粉末とし
て、シリコンとゲルマニウムの金属粉末を共粉砕・混合
した後、成形し、熱間等方加圧法によって焼結すること
により、各原料粉末が原子レベルで合金化したものとな
るため、熱電特性が優れるとともに、品質的に安定した
熱電変換材料を得ることができる。従って、本発明の製
造法で得られる熱電変換材料から造られた熱電変換素子
を航空・宇宙用発電器、温度センサー等の電子部品に応
用した場合、その効果を充分に期待することができる。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 シリコンとゲルマニウムの金属粉末の混
    合物を共粉砕・混合した後、成形し、熱間等方加圧によ
    って焼結することを特徴とする熱電変換材料の製造法。
  2. 【請求項2】 共粉砕・混合した金属粉末の混合物の平
    均粒径が0.1〜100μmであることを特徴とする請求
    項1記載の熱電変換材料の製造法。
  3. 【請求項3】 金属粉末の混合物がSix Ge1-x (0.
    5≦x≦0.9)で表される化合物を主成分とすることを
    特徴とする請求項1記載の熱電変換材料の製造法。
  4. 【請求項4】 熱間等方加圧による焼結時の温度が40
    0〜1,250℃であり、圧力が500〜10,000kg
    /cm2 であることを特徴とする請求項1記載の熱電変
    換材料の製造法。
JP4264725A 1992-10-02 1992-10-02 熱電変換材料の製造法 Pending JPH06120568A (ja)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001096238A1 (fr) * 2000-06-01 2001-12-20 Shin-Etsu Handotai Co., Ltd. Cristal de silicium germanium (sige) et son procede de production
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US10439120B2 (en) * 2014-12-29 2019-10-08 Fujian Institute Of Research On The Structure Of Matter, Chinese Academy Of Sciences Thermoelectric material, and preparation method therefor and application thereof

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