JPWO2018038146A1 - Thermoelectric material - Google Patents
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Abstract
温度300K程度の環境での熱伝導度が低く、かつ、80K程度の低温下での電気抵抗率が低い、優れた熱電変換特性を示す新規な合金を提供する。組成式:Bi1-x-ySbxMy(式中、Mは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Se、Te、Ge、Sn、Pb、及びInからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、0.03≦x≦0.95、0.00≦y≦0.20である)で表され、結晶内に、複数の転位及び複数の双晶の少なくとも一方を有する、合金。A novel alloy exhibiting excellent thermoelectric conversion characteristics is provided, which has low thermal conductivity in an environment at a temperature of about 300 K and low electrical resistivity at a low temperature of about 80 K. Composition formula: Bi1-x-ySbxMy (wherein, M is at least one selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Se, Te, Ge, Sn, Pb, and In A kind of element, expressed by 0.03 ≦ x ≦ 0.95, 0.00 ≦ y ≦ 0.20), and having at least one of a plurality of dislocations and a plurality of twins in a crystal, alloy.
Description
本発明は、合金、当該合金の製造方法、当該合金からなる熱電変換材料、当該熱電変換材料を用いた熱電変換モジュールに関する。 The present invention relates to an alloy, a method of producing the alloy, a thermoelectric conversion material comprising the alloy, and a thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion material.
我が国では、一次供給エネルギーからの有効なエネルギーの得率は30%程度に過ぎず、約70%ものエネルギーを最終的には熱として大気中に廃棄されている。また、工場やごみ焼却場などにおいて、燃焼により生じる熱も、他のエネルギーに変換されることなく大気中に廃棄されている。このように、我々人類は非常に多くの熱エネルギーを無駄に廃棄しており、化石エネルギーの燃焼等の行為から僅かなエネルギーしか獲得していない。 In Japan, the yield rate of effective energy from primary supply energy is only about 30%, and about 70% of energy is finally discarded to the atmosphere as heat. In addition, heat generated by combustion is also discarded to the atmosphere without being converted to other energy in factories and waste incineration plants. In this way, we humans waste much heat energy and waste little energy from actions such as burning of fossil energy.
エネルギーの得率を向上させるためには、大気中に廃棄されている熱エネルギーを利用できるようにすることが有効である。一般的に、廃熱は、工場や自動車など高温の排気ガスとして放出されるが、液化天然ガスを熱交換により気化させるときに発生する低温の廃熱も存在する。この冷廃熱を直接電気に変換する熱電発電は、有望な技術である。 In order to improve the yield of energy, it is effective to make available the thermal energy discarded in the atmosphere. In general, waste heat is released as high temperature exhaust gas in factories and automobiles, but there is also low temperature waste heat generated when gasifying liquefied natural gas by heat exchange. Thermoelectric power generation that directly converts this cold waste heat into electricity is a promising technology.
熱電発電とは、ゼーベック効果を利用したものであり、熱電変換材料の両端で温度差をつけることで電位差を生じさせて、発電を行うエネルギー変換法である。この方法では、熱電変換材料の一端を液化天然ガスの気化により生じた低温部に配置し、もう一端を常温の大気中または水槽に接するように配置して、それぞれの両端に導線を接続するだけで電気が得られ、一般の発電に必要なモーターやタービン等の可動装置は全く必要ない。このためコストも安く、排出ガスも無く、熱電変換材料が劣化するまで継続的に発電を行うことができる。 Thermoelectric power generation is an energy conversion method that generates electric potential by causing a potential difference by providing a temperature difference at both ends of a thermoelectric conversion material, using the Seebeck effect. In this method, one end of the thermoelectric conversion material is placed in the low temperature part produced by the vaporization of the liquefied natural gas, the other end is placed in contact with the atmosphere or water tank at normal temperature, Electricity is obtained, and no moving devices such as motors or turbines necessary for general power generation are required at all. Therefore, the cost is low, there is no exhaust gas, and power generation can be continuously performed until the thermoelectric conversion material is deteriorated.
熱電変換のもう一つの利用方法として、熱電変換材料に電流を流すことで、その両端に温度差を作ることが挙げられる。例えば、熱電変換材料の低温側を用いれば、冷却素子として利用できる。この冷却方式をペルチェ冷却と呼ぶ。超伝導素子や赤外線センサー素子は、冷却が必須である。特に、超伝導素子は、材料が超伝導状態になるまで冷却が必要である。そのためには、液体窒素を用いる必要があるが、液体を冷媒で用いることは取り扱いや供給が煩雑であり、安全性にも問題が生じる。そこで、様々なセンサーの使用において、100K程度まで冷却が可能な固体冷却素子は不可欠であり、熱電変換効果によるペルチェ冷却素子が、最も有望である。 Another way of using thermoelectric conversion is to make a temperature difference at both ends by supplying a current to the thermoelectric conversion material. For example, if the low temperature side of the thermoelectric conversion material is used, it can be used as a cooling element. This cooling method is called Peltier cooling. Cooling is essential for the superconducting element and the infrared sensor element. In particular, superconducting elements require cooling until the material is in the superconducting state. For that purpose, it is necessary to use liquid nitrogen, but using a liquid as a refrigerant makes handling and supply complicated, and also causes a problem in safety. Then, in use of various sensors, the solid cooling element which can be cooled to about 100 K is indispensable, and the Peltier cooling element by the thermoelectric conversion effect is the most promising.
このように、熱電変換は、エネルギー問題の解決の一端とインターネット・オブ・シングス(IoT)社会に必要なセンサーの普及に大きく貢献する技術である。そのためには、高い熱電変換効率を有し、耐久性の高い熱電変換材料が必要となる。 Thus, thermoelectric conversion is a technology that greatly contributes to the solution of energy problems and the widespread use of sensors necessary for the Internet of Things (IoT) society. For this purpose, a thermoelectric conversion material having high thermoelectric conversion efficiency and high durability is required.
これまでに、低温で優れた熱電変換性能を示す物質として、例えば、Bi2Te3合金が報告されている(下記非特許文献1参照)。Bi2Te3は、ペルチェ素子として既に市販されているが、性能の高い温度は、250Kから室温付近であり、150K以下程度での冷却や発電には、効率が低い。So far, for example, a Bi 2 Te 3 alloy has been reported as a substance that exhibits excellent thermoelectric conversion performance at low temperatures (see Non-Patent
さらに、熱電変換材料の性能は、熱電変換性能に関する無次元性能指数ZT(=S2T/(ρκ)、ここで、S、T、ρ、κは、それぞれゼーベック係数、絶対温度、電気抵抗率、熱伝導度)を示す)によって評価され、熱電変換材料の実用化には、例えば300K程度におけるZT値を高める必要がある。そして、このZT値を高めるためには、300K程度における熱伝導度を減少させることが必要である。Furthermore, the performance of the thermoelectric conversion material is the dimensionless figure of merit ZT (= S 2 T / (ρ)) regarding thermoelectric conversion performance, where S, T, ρ, κ are Seebeck coefficient, absolute temperature, electrical resistivity, respectively) In order to put the thermoelectric conversion material into practical use, it is necessary to increase the ZT value at, for example, about 300K. And in order to raise this ZT value, it is necessary to reduce the heat conductivity in about 300K.
このような状況下、本発明は、温度300K程度の環境での熱伝導度が低く、かつ、80K程度の低温下での電気抵抗率が低い、優れた熱電変換特性を示す新規な合金を提供することを主な目的とする。さらに、本発明は、当該合金の製造方法、当該合金からなる熱電変換材料、当該熱電変換材料を用いた熱電変換モジュールを提供することも目的とする。 Under such circumstances, the present invention provides a novel alloy exhibiting excellent thermoelectric conversion characteristics, having a low thermal conductivity in an environment of about 300 K and a low electrical resistivity at a low temperature of about 80 K. The main purpose is to Furthermore, this invention also aims at providing the manufacturing method of the said alloy, the thermoelectric conversion material which consists of the said alloy, and the thermoelectric conversion module using the said thermoelectric conversion material.
本発明者らは、上記のような課題を解決すべく鋭意検討を行った。その結果、組成式:Bi1-x-ySbxMy (式中、Mは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Se、Te、Ge、Sn、Pb、及びInからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、0.03≦x≦0.95、0.00≦y≦0.20である)で表され、結晶内に、複数の転位及び複数の双晶の少なくとも一方を有する合金は、温度300K程度の環境での熱伝導度が低く、かつ、80K程度の低温下での電気抵抗率が低い、優れた熱電変換特性を示すことを見出した。The present inventors diligently studied to solve the above-mentioned problems. As a result, the compositional formula: Bi 1-xy Sb x M y (wherein M is from Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Se, Te, Ge, Sn, Pb, and In And at least one element selected from the group consisting of: 0.03 ≦ x ≦ 0.95, 0.00 ≦ y ≦ 0.20), and a plurality of dislocations and a plurality of twins in the crystal. It has been found that an alloy having at least one of the foregoing has excellent thermoelectric conversion characteristics in which the thermal conductivity in an environment at a temperature of about 300 K is low and the electrical resistivity at a low temperature of about 80 K is low.
上記の組成を有しており、かつ、温度300Kにおいて、4.00W/m・K以下の熱伝導度を有する合金は、従来知られていない新規な化合物である。 An alloy having the above composition and having a thermal conductivity of 4.00 W / m · K or less at a temperature of 300 K is a novel compound which has not been known hitherto.
本発明は、これらの知見に基づいて、さらに検討を重ねることにより完成された発明である。 The present invention is an invention completed by repeating studies based on these findings.
すなわち、本発明は、下記に掲げる態様の発明を提供する。
項1. 組成式:Bi1-x-ySbxMy(式中、Mは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Se、Te、Ge、Sn、Pb、及びInからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、0.03≦x≦0.95、0.00≦y≦0.20である)で表され、結晶内に、複数の転位及び複数の双晶の少なくとも一方を有する、合金。
項2. 温度300Kにおいて、4.00W/m・K以下の熱伝導度を有する、項1に記載の合金。
項3. 組成式:Bi1-x-ySbxMy(式中、Mは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Se、Te、Ge、Sn、Pb、及びInからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、0.03≦x≦0.95、0.00≦y≦0.20である)で表され、
温度300Kにおいて、4.00W/m・K以下の熱伝導度を有する、合金。
項4. 温度80Kにおいて、5.00mΩcm以下の電気抵抗率を有する、項1〜3のいずれかに記載の合金。
項5. 項1〜4のいずれかに記載の合金からなる、熱電変換材料。
項6. 項5に記載の熱電変換材料を含む、熱電変換モジュール。
項7. Bi、Sb、及びM(ただし、Mは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Se、Te、Ge、Sn、Pb、及びInからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素である)のモル比が、1−x−y:x:yの混合比(但し、0.03≦x≦0.95、0.00≦y≦0.20である)となるように、Bi金属単体、Sb金属単体、M金属単体、またはこれらの金属のうち少なくとも2種の金属からなる、合金、金属間化合物、もしくは固溶体を混合した、金属組成物を得る工程1と、
前記金属組成物を加圧して、合金前駆体を得る工程2と、
前記合金前駆体を、温度353K〜573K、及び圧力5MPa〜100MPaの条件で加熱及び加圧して、合金を得る、第1の加熱加圧工程3と、
前記合金を、前記第1の加熱加圧工程よりも低い温度及び低い圧力下におく工程4と、
工程4の後、前記合金を、温度353K〜573K、及び圧力5MPa〜100MPaの条件で加熱及び加圧する、第2の加熱加圧工程と、
を備える、合金の製造方法。That is, the present invention provides the inventions of the aspects listed below.
Item 2. The alloy according to
An alloy having a thermal conductivity of 4.00 W / m · K or less at a temperature of 300 K.
Item 4. The alloy according to any one of
Item 5. The thermoelectric conversion material which consists of an alloy in any one of claim | item 1 -4.
Item 6. A thermoelectric conversion module, comprising the thermoelectric conversion material according to item 5.
Item 7. Bi, Sb, and M (where M is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Se, Te, Ge, Sn, Pb, and In, and at least one element selected from the group consisting of So that the molar ratio of 1) -x-y: x: y (where 0.03 ≦ x ≦ 0.95, 0.00 ≦ y ≦ 0.20),
Pressurizing the metal composition to obtain an alloy precursor;
A first heating and pressing
Placing the alloy under a lower temperature and a lower pressure than the first heating and pressing step;
A second heating and pressing step of heating and pressing the alloy under conditions of a temperature of 353 K to 573 K and a pressure of 5 MPa to 100 MPa after the step 4;
A method of manufacturing an alloy, comprising:
本発明によれば、組成式:Bi1-x-ySbxMy(式中、Mは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Se、Te、Ge、Sn、Pb、及びInからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、0.03≦x≦0.95、0.00≦y≦0.20である)で表され、結晶内に、複数の転位及び双晶の少なくとも一方を有していることから、温度300K程度の環境での熱伝導度が低く、かつ、80K程度の低温下での電気抵抗率が低い、優れた熱電変換特性を示す、新規な合金を提供することができる。According to the present invention, the compositional formula: Bi in 1-xy Sb x M y (wherein, M is, Ti, V, Cr, Mn , Fe, Co, Ni, Cu, Se, Te, Ge, Sn, Pb, And at least one element selected from the group consisting of and 0.03 and represented by 0.03 ≦ x ≦ 0.95 and 0.00 ≦ y ≦ 0.20), and a plurality of dislocations and Novel thermal conductivity is excellent because it has at least one of the crystals, so that the thermal conductivity in an environment at a temperature of about 300 K is low, and the electrical resistivity at a low temperature of about 80 K is low. An alloy can be provided.
また、本発明によれば、組成式:Bi1-x-ySbxMy(式中、Mは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Se、Te、Ge、Sn、Pb、及びInからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、0.03≦x≦0.95、0.00≦y≦0.20である)で表され、温度300Kにおいて、4.00W/m・K以下の熱伝導度を有する新規な合金を提供することもできる。Further, according to the present invention, a composition formula: Bi 1 -xy Sb x M y (where, M is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Se, Te, Ge, Sn, At least one element selected from the group consisting of Pb and In, which is represented by 0.03 ≦ x ≦ 0.95, 0.00 ≦ y ≦ 0.20), and at a temperature of 300 K, 4.00 W It is also possible to provide new alloys having a thermal conductivity of less than / m · K.
さらに、本発明によれば、上記新規な合金の製造方法、当該合金からなる熱電変換材料、当該熱電変換材料を用いた熱電変換モジュールを提供することもできる。本発明の合金からなる熱電変換材料は、組成及び温度に応じて、n型またはp型の熱電変換材料として使用することができる。具体的には、本発明の合金は、上記のような低い電気抵抗率と熱伝導度を有しているため、例えば80K〜300K程度の温度域において、優れた発電性能及び冷却性能を発揮するn型またはp型熱電変換材料とすることができる。さらに、n型またはp型熱電変換材料を、熱電変換モジュールにおいて、n型またはp型熱電変換素子として、システム中に組み込むことにより、これまで海水などに熱交換によって廃棄されていた、液化天然ガスからの冷熱エネルギーを有効に利用することが可能となり、モジュールに通電することで100K付近まで冷却が可能な固体冷却デバイスとして利用することが可能となる。 Furthermore, according to the present invention, it is possible to provide a method for producing the above novel alloy, a thermoelectric conversion material comprising the alloy, and a thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion material. The thermoelectric conversion material comprising the alloy of the present invention can be used as an n-type or p-type thermoelectric conversion material depending on the composition and temperature. Specifically, since the alloy of the present invention has such low electrical resistivity and thermal conductivity as described above, it exhibits excellent power generation performance and cooling performance in a temperature range of, for example, about 80 K to 300 K. It can be an n-type or p-type thermoelectric conversion material. Furthermore, by incorporating n-type or p-type thermoelectric conversion material into the system as an n-type or p-type thermoelectric conversion element in a thermoelectric conversion module, liquefied natural gas which has been discarded by heat exchange up to now in seawater etc. It is possible to effectively utilize the cold energy from the above, and it is possible to utilize as a solid cooling device capable of cooling to around 100 K by energizing the module.
本発明の第1の合金は、組成式:Bi1-x-ySbxMy(式中、Mは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Se、Te、Ge、Sn、Pb、及びInからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、0.03≦x≦0.95、0.00≦y≦0.20である)で表され、かつ、結晶内に、複数の転位及び複数の双晶の少なくとも一方を有することを特徴としている。The first alloy of the present invention has a composition formula: Bi 1 -xy Sb x M y (where, M is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Se, Te, Ge, Sn And at least one element selected from the group consisting of Pb, and In, wherein 0.03 ≦ x ≦ 0.95, and 0.00 ≦ y ≦ 0.20), and in the crystal, It is characterized by having at least one of a plurality of dislocations and a plurality of twins.
さらに、本発明の第2の合金は、組成式:Bi1-x-ySbxMy(式中、Mは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Se、Te、Ge、Sn、Pb、及びInからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、0.03≦x≦0.95、0.00≦y≦0.20である)で表され、かつ、温度300Kにおいて、4.00W/m・K以下の熱伝導度を有することを特徴としている。Furthermore, the second alloy of the present invention has a composition formula: Bi 1 -xy Sb x M y (where, M is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Se, Te, Ge And at least one element selected from the group consisting of Sn, Pb, and In, wherein 0.03 ≦ x ≦ 0.95, and 0.00 ≦ y ≦ 0.20), and the temperature 300 K In the above, the thermal conductivity is 4.00 W / m · K or less.
以下、本発明の合金について、詳述する。 Hereinafter, the alloy of the present invention will be described in detail.
本発明の合金は、組成式:Bi1-x-ySbxMyで表される組成を有している。組成式中において、Mは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Se、Te、Ge、Sn、Pb、及びInからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素である。本発明の合金は、Mを有していなくてもよい(すなわち、y=0)。また、合金中に含まれる金属Mの種類としては、0〜5種類であることが好ましく、0〜3種類であることがより好ましく、0〜1種類であることが更に好ましい。The alloy of the present invention has a composition represented by the composition formula: Bi 1 -xy Sb x M y . In the composition formula, M is at least one element selected from the group consisting of Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Se, Te, Ge, Sn, Pb, and In. The alloys of the present invention may not have M (i.e., y = 0). Moreover, as a kind of metal M contained in an alloy, it is preferable that it is 0-5 types, It is more preferable that it is 0-3 types, It is still more preferable that it is 0-1 types.
Mとしては、上記のものであれば特に制限されないが、好ましくはPb、Sn、In、Geなどが挙げられる。 M is not particularly limited as long as it is as described above, but Pb, Sn, In, Ge and the like are preferably mentioned.
本発明の合金は、母物質であるBiの元素位置に必須元素であるSb、さらに任意元素であるMが置換された状態であり、Biと同様の菱面晶(三方晶)系(空間群R_3m)の結晶構造を有する金属化合物(金属材料)である。後述の通り、当該合金は、金属単体などを加熱、加圧して製造されるため、焼結体ともいえる。 The alloy of the present invention is in a state in which Sb which is an essential element and M which is an optional element are substituted at the element position of the parent material Bi, and a rhombohedral (trigonal) system similar to Bi (space group It is a metal compound (metal material) which has a crystal structure of R_3 m). As will be described later, the alloy can be said to be a sintered body because it is manufactured by heating and pressing a single metal or the like.
本発明の合金は、組成(すなわち、Bi結晶に対するSb及びMの置換量や、Mの種類)、さらに、使用温度条件に調整することにより、負のゼーベック係数を有したり、正のゼーベック係数を有する。すなわち、組成と温度条件を適宜調整することにより、ゼーベック係数の正負を制御することができる。例えば、合金の両端に温度差を生じさせた場合に、負のゼーベック係数を示す場合、熱起電力により生じる電位は、高温側の方が低温側に比べて高くなり、n型熱電変換材料としての特性を示す。一方、正のゼーベック係数を示す場合、熱起電力により生じる電位は、低温側の方が高温側に比べて高くなり、p型熱電変換材料としての特性を示す。 The alloy of the present invention has a negative Seebeck coefficient or a positive Seebeck coefficient by adjusting it to the composition (that is, the substitution amount of Sb and M and the type of M with respect to Bi crystal) and the use temperature conditions. Have. That is, by adjusting the composition and temperature conditions appropriately, it is possible to control the positive and negative of the Seebeck coefficient. For example, when a temperature difference is generated at both ends of the alloy and the negative Seebeck coefficient is indicated, the potential generated by the thermoelectromotive force is higher on the high temperature side than on the low temperature side, and as an n-type thermoelectric conversion material Show the characteristics of On the other hand, when a positive Seebeck coefficient is exhibited, the potential generated by the thermoelectromotive force is higher on the low temperature side than on the high temperature side, and exhibits the characteristics as a p-type thermoelectric conversion material.
本発明の第1の合金は、結晶内に、複数の転位及び複数の双晶の少なくとも一方を有する。ここで、本発明において、結晶内の転位とは、結晶面のずれによる線状の格子欠陥を意味する。また、本発明において、結晶内の双晶とは、異なる結晶が、結晶軸方位で接合したものを意味する。本発明の第1の合金においては、結晶内に転位や双晶を有することにより、熱を伝達するフォノンを効果的に散乱するため、例えば300Kにおける熱伝導度が効果的に低下され、4.00W/m・K以下である。また、結晶内の転位や双晶は、電気抵抗率に対する影響が小さいため、本発明の第1の合金は、例えば80Kという低温下における電気抵抗率についても、5.00mΩcm以下という低い値を示している。 The first alloy of the present invention has at least one of a plurality of dislocations and a plurality of twins in a crystal. Here, in the present invention, dislocation within a crystal means linear lattice defects due to deviation of crystal planes. Further, in the present invention, the twin crystal in a crystal means that different crystals are joined in the crystal axis orientation. In the first alloy of the present invention, by having dislocations or twins in the crystal, the phonons that transfer heat are effectively scattered, so the thermal conductivity at 300 K, for example, is effectively reduced; It is less than 00 W / m · K. In addition, since dislocations and twins in the crystal have little influence on the electrical resistivity, the first alloy of the present invention exhibits a low value of 5.00 mΩcm or less even for the electrical resistivity under a low temperature of 80 K, for example. ing.
合金の熱電変換特性をより一層高める観点からは、本発明の合金の温度300Kにおける熱伝導度としては、好ましくは4.00W/m・K以下、より好ましくは3.00W/m・K以下、さらに好ましくは2.50W/m・K以下が挙げられる。 From the viewpoint of further enhancing the thermoelectric conversion characteristics of the alloy, the thermal conductivity of the alloy of the present invention at a temperature of 300 K is preferably 4.00 W / m · K or less, more preferably 3.00 W / m · K or less More preferably, it is 2.50 W / m · K or less.
また、同様の観点から、本発明の合金の温度80Kにおける熱伝導度としては、好ましくは3.50W/m・K以下、より好ましくは2.50W/m・K以下、さらに好ましくは1.95W/m・K以下が挙げられる。 From the same viewpoint, the thermal conductivity of the alloy of the present invention at a temperature of 80 K is preferably 3.50 W / m · K or less, more preferably 2.50 W / m · K or less, further preferably 1.95 W / M · K or less can be mentioned.
さらに、同様の観点から、本発明の合金の温度80Kにおける電気抵抗率としては、好ましくは5.00mΩcm以下、より好ましくは1.00mΩcm以下、さらに好ましくは0.60mΩcm以下が挙げられる。 Furthermore, from the same viewpoint, the electrical resistivity of the alloy of the present invention at a temperature of 80 K is preferably 5.00 mΩcm or less, more preferably 1.00 mΩcm or less, and still more preferably 0.60 mΩcm or less.
また、同様の観点から、本発明の合金の300Kにおける電気抵抗率としては、好ましくは2.50mΩcm以下、より好ましくは1.00mΩcm以下、さらに好ましくは0.50mΩcm以下が挙げられる。 From the same point of view, the electrical resistivity of the alloy of the present invention at 300 K is preferably 2.50 mΩcm or less, more preferably 1.00 mΩcm or less, still more preferably 0.50 mΩcm or less.
本発明の合金は、熱電変換材料として好適に使用することができる。前述の通り、本発明の合金は、組成や、使用環境における温度条件を調整することにより、n型熱電変換材料とすることも、p型熱電変換材料とすることもできる。 The alloy of the present invention can be suitably used as a thermoelectric conversion material. As described above, the alloy of the present invention can be made into an n-type thermoelectric conversion material or a p-type thermoelectric conversion material by adjusting the composition and the temperature condition in the use environment.
さらに、本発明の合金からなる熱電変換材料を複数組み合わせることによって、熱電変換材料をn型またはp型熱電変換素子とし、これらを用いて熱電変換モジュールとすることができる。このような熱電変換モジュールの模式図の一例を図1に示す。図1に示される熱電変換モジュールの構造は、公知の熱電変換モジュールの構造と同様であり、基板材料、p型熱電変換材料、n型熱電変換材料、電極等により構成されている。 Furthermore, the thermoelectric conversion material can be made into n-type or p-type thermoelectric conversion element by combining multiple thermoelectric conversion materials which consist of an alloy of the present invention, and it can be used as a thermoelectric conversion module using these. An example of a schematic view of such a thermoelectric conversion module is shown in FIG. The structure of the thermoelectric conversion module shown in FIG. 1 is the same as the structure of a known thermoelectric conversion module, and is composed of a substrate material, a p-type thermoelectric conversion material, an n-type thermoelectric conversion material, an electrode and the like.
より具体的には、本発明の合金は、上記のような低い電気抵抗率と熱伝導度を有しているため、例えば80K〜300K程度の温度域において、優れた発電性能及び冷却性能を発揮するn型またはp型熱電変換材料とすることができる。さらに、n型またはp型熱電変換材料を、熱電変換モジュールにおいて、n型またはp型熱電変換素子として、システム中に組み込むことにより、例えば、これまで海水などに熱交換によって廃棄されていた、液化天然ガスからの冷熱エネルギーを有効に利用することが可能となり、モジュールに通電することで100K付近まで冷却が可能な固体冷却デバイスとして利用することが可能となる。 More specifically, since the alloy of the present invention has the low electrical resistivity and thermal conductivity as described above, it exhibits excellent power generation performance and cooling performance in a temperature range of, for example, about 80 K to 300 K. N-type or p-type thermoelectric conversion material. Furthermore, by incorporating an n-type or p-type thermoelectric conversion material into the system as an n-type or p-type thermoelectric conversion element in a thermoelectric conversion module, for example, liquefaction which has hitherto been discarded by heat exchange in seawater etc. It becomes possible to effectively utilize the cold energy from the natural gas, and by energizing the module it is possible to use as a solid cooling device capable of cooling to around 100K.
本発明の合金の製造方法は、特に制限されず、例えば、以下の工程1〜5を備える方法によって、好適に製造することができる。
The method for producing the alloy of the present invention is not particularly limited, and can be suitably produced, for example, by a method comprising the following
工程1:Bi、Sb、及びM(ただし、Mは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Se、Te、Ge、Sn、Pb、及びInからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素である)のモル比が、1−x−y:x:yの混合比(但し、0.03≦x≦0.95、0.00≦y≦0.20である)となるように、Bi金属単体、Sb金属単体、M金属単体、またはこれらの金属のうち少なくとも2種の金属からなる、合金、金属間化合物、もしくは固溶体を混合した、金属組成物を得る工程
工程2:工程1で得られた金属組成物を加圧して、合金前駆体を得る工程
工程3:工程2で得た合金前駆体を、温度353K〜573K、及び圧力5MPa〜100MPaの条件で加熱及び加圧して、合金を得る、第1の加熱加圧工程
工程4:工程3で得られた合金を、第1の加熱加圧工程よりも低い温度及び低い圧力下におく工程
工程5:工程4の後、合金を、温度353K〜573K、及び圧力5MPa〜100MPaの条件で加熱及び加圧する、第2の加熱加圧工程Step 1: Bi, Sb, and M (where M is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Se, Te, Ge, Sn, Pb, and In) The molar ratio of one kind of element) is a mixing ratio of 1-xy: x: y (however, 0.03 ≦ x ≦ 0.95, 0.00 ≦ y ≦ 0.20) As described above, a process of obtaining a metal composition in which an alloy, an intermetallic compound, or a solid solution composed of a single Bi metal, a single Sb metal, a single M metal, or at least two of these metals is mixed. Step of pressing the metal composition obtained in
まず、工程1においては、目的とする合金組成と同一の組成となるようにして、Bi、Sb、及びMの原料を用意し、これらの原料を混合して金属組成物を得る。原料としては、Bi金属単体、Sb金属単体、M金属単体の他、これらの金属のうち少なくとも2種の金属からなる、合金、金属間化合物、もしくは固溶体が挙げられる。原料の形態としては、特に制限されないが、粉末の形態であることが好ましい。
First, in
次に、工程2においては、工程1で得られた金属組成物を加圧して、合金前駆体を得る。金属組成物の加圧方法としては、特に制限されず、メカニカルアロイング法や、熔融または固相反応させる方法が挙げられる。メカニカルアロイング法は、例えば、金属組成物を瑪瑙やステンレス製の容器内に入れ、容器と同材質でできた、任意の直径(例えば、2mm〜2cm程度)を有する球体を適宜の個数入れ、容器を回転、振幅させることで、球体と金属組成物(好ましくは粉末)との間や、球体同士の衝突エネルギーを利用して合金化する方法である。また、熔融または固相反応させる方法においては、金属組成物として、粉末状、粒状、板状など形態のものを用いることができる。工程2は、真空中や、アルゴンなどの不活性ガス下で行うことが好ましい。
Next, in step 2, the metal composition obtained in
次に、工程3においては、工程2で得られた合金前駆体を、温度353K〜573K、及び圧力5MPa〜100MPaの条件で加熱及び加圧して、合金を得る、第1の加熱加圧工程を行う。このとき、工程3に供する合金前駆体は、粉末状であることが好ましい。加熱及び加圧は、例えば、粉末状の合金前駆体を、一軸加圧により板状(例えば円板状)に成型した後、当該板をカーボン製の鋳型に入れ、板の面に加圧軸が垂直になるよう、圧力5MPa〜100MPaの条件で加圧し、その状態で温度353K〜573Kで加熱し、合金前駆体を焼結して合金化させる方法が挙げられる。
Next, in
工程3における加熱、加圧の方法としては、特に制限されないが、例えば、発熱体からの伝熱により加熱するホットプレス法、カーボン製の鋳型に通電し、電気抵抗による発熱で加熱する通電焼結法などが挙げられる。
The method of heating and pressing in
工程3における加熱温度としては、好ましくは443K〜503K程度が挙げられる。また、圧力としては、好ましくは10MPa〜80MPa程度が挙げられる。さらに、加熱加圧する時間としては、特に制限されないが、好ましくは5分間〜60分間程度、より好ましくは10分間〜30分間程度が挙げられる。
As heating temperature in the
工程3は、アルゴンなどの不活性ガス下で行うことが好ましい。
次に、工程4においては、工程3で得られた合金を、工程3の第1の加熱加圧工程よりも低い温度及び低い圧力下におく。このときの温度としては、特に制限されないが、好ましくは283K〜353K程度、より好ましくは293K〜313K程度が挙げられる。また、このときの圧力としては、好ましくは大気圧(0.1MPa程度)〜1MPa程度、より好ましくは大気圧〜0.2MPa程度が挙げられる。また、工程3の第1の加熱加圧工程よりも低い温度及び低い圧力下におく期間としては、特に制限されないが、好ましくは1時間〜72時間程度、より好ましくは1時間〜24時間程度が挙げられる。なお、典型的には、工程3で得られた合金を、常温(25℃程度)、常圧下におき、合金が常温になるまで自然冷却させて、後述の工程5の第2の加熱加圧工程を行うことができる。
Next, in step 4, the alloy obtained in
次に、工程5においては、工程4の後、合金を、温度353K〜573K、及び圧力5MPa〜100MPaの条件で加熱及び加圧する、第2の加熱加圧工程を行う。当該工程5を行うことにより、本発明の合金を好適に製造することができる。 Next, in step 5, after the step 4, a second heating and pressing step is performed in which the alloy is heated and pressurized under the conditions of a temperature of 353 K to 573 K and a pressure of 5 MPa to 100 MPa. By performing the step 5, the alloy of the present invention can be suitably produced.
工程5の第2の加熱加圧工程においては、工程4で冷却された合金を、温度353K〜573K、及び圧力5MPa〜100MPaの条件で、再び加熱及び加圧する。第2の加熱加圧工程は、工程3で得られた合金を粉砕せず、合金の直径よりも1.1〜2倍程度大きな物質の焼結が可能な鋳型にいれて加熱、加圧を行うことが好ましい。これにより、合金が塑性変形しやすく、直径が大きくなり、厚さは薄くなり、結晶内に複数の転位及び複数の双晶の少なくとも一方を有する合金が好適に得られる。
In the second heating and pressurizing step of step 5, the alloy cooled in step 4 is again heated and pressurized under conditions of a temperature of 353 K to 573 K and a pressure of 5 MPa to 100 MPa. In the second heating and pressing step, the alloy obtained in
第2の加熱加圧工程における加熱温度としては、好ましくは443K〜503K程度が挙げられる。また、圧力としては、好ましくは10MPa〜80MPa程度が挙げられる。さらに、加熱加圧する時間としては、特に制限されないが、好ましくは5分間〜60分間程度、より好ましくは10分間〜30分間程度が挙げられる。なお、第2の加熱加圧工程における加熱温度及び圧力は、それぞれ、工程3の第1の加熱加圧工程と同じであってもよいし、異なっていてもよい。
As a heating temperature in a 2nd heating-pressing process, Preferably about 443K-503K is mentioned. Moreover, as pressure, Preferably about 10 MPa-about 80 MPa are mentioned. Further, the heating and pressurizing time is not particularly limited, but preferably about 5 minutes to 60 minutes, more preferably about 10 minutes to 30 minutes. The heating temperature and pressure in the second heating and pressing step may be the same as or different from the first heating and pressing step in
工程5における加熱、加圧の方法としては、工程3と同様の方法が挙げられる。また、工程5の後、さらに工程4及び工程5を2回以上繰り返し行ってもよい。
As the method of heating and pressurizing in step 5, the same method as in
工程5は、アルゴンなどの不活性ガス下で行うことが好ましい。 Step 5 is preferably performed under an inert gas such as argon.
以下に、実施例及び比較例を示して本発明を詳細に説明する。ただし、本発明は、実施例に限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail by showing Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not limited to the examples.
実施例1及び比較例1
Bi源、Sb源としてそれぞれビスマス金属粉末とアンチモン金属粉末(粒径100メッシュ)を用い、Bi:Sb(元素比)=0.88:0.12となるように秤量した。この粉末を容量が250cm3の円筒型のジルコニア(二酸化ジルコニウム)製の容器に入れた。そこへ、直径5mmと10mmのジルコニア製球を原料粉末の重量に対し約10倍重量となるよう入れた。この時、二種類の球の個数は同じであった。原料粉末と球が入った容器を、アルゴンガスを充満させたグローブボックスに入れ、密閉できる蓋を用い、容器内をアルゴン封止した。この容器を、回転機構を有する装置(フリッチュ製・Pulverisette 6)に取り付け、毎分500回転の回転数で混合を行った。球と容器の衝突による温度上昇を抑えるため、混合は30分間行い、その後20分間停止させ、さらに30分間の混合を繰り返した。合計で10時間30分間混合した。この混合により、ビスマスとアンチモンの合金(本発明では合金前駆体)が作製された。なお、一般的に、この合金製造方法はメカニカルアロイング法と呼ばれている。 Example 1 and Comparative Example 1
Bismuth metal powder and antimony metal powder (particle diameter: 100 mesh) were used as a Bi source and an Sb source, respectively, and measurement was performed so that Bi: Sb (element ratio) = 0.88: 0.12. The powder was placed in a cylindrical zirconia (zirconium dioxide) container having a volume of 250 cm 3 . Thereto, zirconia balls having a diameter of 5 mm and 10 mm were placed in a weight of about 10 times the weight of the raw material powder. At this time, the number of balls of the two types was the same. The container containing the raw material powder and the balls was placed in a glove box filled with argon gas, and the inside of the container was argon-sealed using a lid that can be sealed. The container was attached to an apparatus (Flitch made Pulverisette 6) having a rotation mechanism, and mixing was performed at a rotational speed of 500 revolutions per minute. The mixing was carried out for 30 minutes to stop the temperature rise due to the collision of the ball and the container, and then stopped for 20 minutes, and the mixing for another 30 minutes was repeated. In total, it was mixed for 10 hours and 30 minutes. By this mixing, an alloy of bismuth and antimony (in the present invention, an alloy precursor) was produced. In addition, generally, this alloy manufacturing method is called a mechanical alloying method.
次に、得られた合金粉末を、直径10mmの円板型試料を焼成できるカーボン製の鋳型に入れ、真空中、30MPaの一軸加圧を加えながら、直流電流をカーボン製の鋳型に通電し加熱した(通電焼結法)。焼成温度と時間は200℃、5分であった。ここで得られた合金(焼結体)を、比較例1の合金とした。 Next, the obtained alloy powder is placed in a carbon mold capable of firing a disk-shaped sample with a diameter of 10 mm, and direct current is supplied to the carbon mold for heating while applying uniaxial pressurization of 30 MPa in vacuum. (Electric current sintering method). The firing temperature and time were 200 ° C. and 5 minutes. The alloy (sintered body) obtained here was used as the alloy of Comparative Example 1.
次に、得られた合金を室温(約25℃)、常圧下(約1気圧)に置き、室温程度まで自然冷却した。次に、この合金を粉砕することなく、直径15mmの円板型焼結体が作製できるカーボン製の鋳型に入れ、加圧、焼成温度、時間は先の条件と同じく、真空中、30MPa、200℃、5分として再度焼成した。これにより、焼結体が塑性変形し、直径が15mmまで拡大した。ここで作製された合金(焼結体)を実施例1の合金とした。 Next, the obtained alloy was placed under normal pressure (about 1 atm) at room temperature (about 25 ° C.) and naturally cooled to about room temperature. Next, the alloy is put into a carbon mold capable of producing a disk-shaped sintered body having a diameter of 15 mm without crushing, and the pressure and baking temperature and time are 30 MPa and 200 MPa under the same conditions as the above conditions. It baked again as 5 degreeC for 5 minutes. Thereby, the sintered body was plastically deformed and the diameter was enlarged to 15 mm. The alloy (sintered body) produced here was used as the alloy of Example 1.
実施例1で得られた合金を、粉砕により粉末化し、X線発生源のターゲットとして銅を用いて、室温においてX線回折測定を行った。得られたX線回折パターンを図2に示す。各回折ピークのミラー指数付けにより、実施例1で得られた合金は、金属のビスマス単体と同じ菱面晶(三方晶)系の結晶系を有しており、ビスマス元素の一部がアンチモンにより置換された合金であることが確認できた。 The alloy obtained in Example 1 was pulverized by pulverization, and X-ray diffraction measurement was performed at room temperature using copper as a target of an X-ray source. The obtained X-ray diffraction pattern is shown in FIG. According to Miller indexing of each diffraction peak, the alloy obtained in Example 1 has the same rhombohedral (trigonal) crystal system as the metal bismuth simple substance, and part of the bismuth element is antimony It was confirmed that the alloy was substituted.
また、実施例1及び比較例1で得られた合金についての透過型電子顕微鏡写真を図7(i)及び図7(ii)に示す。図7(i)において、(a)は結晶内の転位、(b)は双晶の箇所を示している。実施例2〜92の合金についても、結晶内に同様の転位、双晶が確認された。また、実施例1〜92において、これらの転位及び双晶は、それぞれ、複数の箇所で観察された。一方、比較例1及び2では転位及び双晶はいずれも観察されなかった。 In addition, transmission electron micrographs of the alloys obtained in Example 1 and Comparative Example 1 are shown in FIGS. 7 (i) and 7 (ii). In FIG. 7 (i), (a) shows dislocations in the crystal, and (b) shows twins. Similar dislocations and twins were observed in the crystals of the alloys of Examples 2 to 92. In Examples 1 to 92, these dislocations and twins were observed at a plurality of locations, respectively. On the other hand, neither dislocations nor twins were observed in Comparative Examples 1 and 2.
実施例2〜92
表1の組成となるようにして、金属源として各金属単体の粉末を用いたこと以外は、実施例1と同様にして、合金を得た。なお、通電焼結時には、温度453K〜523Kの範囲で熔解が起こらないよう、組成に応じて焼成温度を適宜調整した。 Examples 2 to 92
An alloy was obtained in the same manner as in Example 1 except that a powder of each metal was used as the metal source so as to have the composition shown in Table 1. In addition, the firing temperature was appropriately adjusted according to the composition so that melting does not occur in the temperature range of 453K to 523K at the time of current-flow sintering.
実施例2〜92で得られた各合金についても、実施例1と同様にしてX線回折分析を行った。その結果、いずれも、金属のビスマス単体と同じ菱面晶(三方晶)系の結晶系を有しており、ビスマス元素の一部がアンチモン及び各添加元素により置換された合金であることが確認できた。 The respective alloys obtained in Examples 2 to 92 were also subjected to X-ray diffraction analysis in the same manner as in Example 1. As a result, it is confirmed that each of them has the same rhombohedral (trigonal) crystal system as that of metal bismuth alone, and is an alloy in which a part of the bismuth element is substituted by antimony and each additive element. did it.
比較例2
Bi源、Sb源、Pb源としてそれぞれビスマス金属粉末、アンチモン金属粉末、及び鉛金属粉末(粒径100メッシュ)を用い、Bi:Pb:Sb(元素比)=0.77:0.05:0.18となるように秤量した。これらの粉末を、容量が250cm3の円筒型のジルコニア(二酸化ジルコニウム)製の容器に入れた。そこへ、直径5mmと10mmのジルコニア製球を原料粉末の重量に対し約10倍重量となるよう入れた。この時、二種類の球の個数は同じであった。原料粉末と球が入った容器を、アルゴンガスを充満させたグローブボックスに入れ、密閉できる蓋を用い、容器内をアルゴン封止した。この容器を、回転機構を有する装置(フリッチュ製・Pulverisette 6)に取り付け、毎分500回転の回転数で混合を行った。球と容器の衝突による温度上昇を抑えるため、混合は30分間行い、その後20分間停止させ、さらに30分間の混合を繰り返した。合計で10時間30分間混合した。この混合(メカニカルアロイング法)により、ビスマスとアンチモンの合金が作製できた。合金粉末を直径10mmの円板型試料を焼成できるカーボン製の鋳型に入れ、真空中、30MPaの一軸加圧を加えながら、直流電流をカーボン製の鋳型に通電し加熱した(通電焼結法)。焼成温度と時間は200℃、5分であった。得られた合金(焼結体)を比較例2の合金とした。 Comparative example 2
Bi: Pb: Sb (element ratio) = 0.77: 0.05: 0 using a Bi metal source, an Sb source, and a bismuth metal powder, an antimony metal powder, and a lead metal powder (
熱電変換特性の計測
実施例1〜92及び比較例1,2で得られた各合金(試料)について、それぞれ、下記の方法でゼーベック係数、電気抵抗率、及び熱伝導度を測定した。いずれも低温計測であるため、Quantum Design社製の物理特性測定装置(PPMS)のサーマルトランスポートオプション(TTO)により、液体ヘリウムを用い測定した。結果を表1〜4及び図4〜6に示す。 Measurement of Thermoelectric Conversion Characteristics The Seebeck coefficient, the electrical resistivity, and the thermal conductivity of each of the alloys (samples) obtained in Examples 1 to 92 and Comparative Examples 1 and 2 were measured by the following method. Since all of them are low-temperature measurements, they were measured using liquid helium by the thermal transport option (TTO) of a physical property measuring apparatus (PPMS) manufactured by Quantum Design. The results are shown in Tables 1 to 4 and Figs.
・ゼーベック係数
試料を断面が約3.5mm角、長さが約8mmの直方体(図3(a))に成形し、長さ方向の両端を試料ホルダーに導電性エポキシ系接着剤を用い固定した(同(b))。一方のホルダー部には加熱用ヒーター(抵抗体)(同(c))がついており、試料の両端に温度差をつけることができる。試料の両端間の二箇所(同(d))に測温抵抗体(同(e))と電圧計測端子(同(f))を導電性エポキシ系接着剤で接続した。加熱による二点間の温度差と熱起電力を測温抵抗体と電圧計測端子で測定しゼーベック係数を得る。試料を装着した試料ホルダーは液体ヘリウムと電気ヒーターにより温度調整が可能な試料室へ入れ、80〜300Kの範囲で測定を行った。表1〜4には、80K及び300Kでのゼーベック係数の値を示す。Seebeck coefficient The sample was formed into a rectangular solid (Fig. 3 (a)) having a cross section of about 3.5 mm square and a length of about 8 mm, and both ends in the lengthwise direction were fixed to the sample holder using a conductive epoxy adhesive. (Same (b)). A heater (resistor) (the same (c)) is attached to one of the holder portions, and a temperature difference can be given to both ends of the sample. The temperature measuring resistor (the same (e)) and the voltage measurement terminal (the same (f)) were connected to two places (the same (d)) between the two ends of the sample with a conductive epoxy adhesive. The temperature difference between the two points due to heating and the thermoelectromotive force are measured by the temperature measuring resistor and the voltage measuring terminal to obtain the Seebeck coefficient. The sample holder on which the sample was mounted was placed in a sample chamber whose temperature could be adjusted by liquid helium and an electric heater, and the measurement was performed in the range of 80 to 300K. Tables 1-4 show the values of the Seebeck coefficients at 80K and 300K.
・電気抵抗率
試料を断面が約3.5mm角、長さが約8mmの直方体に成形し、上記のゼーベック係数測定と同様にサンプルホルダーに固定する。両端のホルダー部は交流電源の電流端子となる(同(g))。交流電流を通電し、試料の両端間の二箇所に導電性エポキシ系接着剤で接続した電圧計測端子で電圧を計測し、位相敏感検波器(phase−sensitive detector)を用い、微弱な電圧信号から正確な電気抵抗Rを計測し、さらに試料寸法(断面積A、端子間距離L)から電気抵抗率ρ=R×A/Lを得た。表1〜4には、80K及び300Kでの電気抵抗率(mΩcm)を示す。Electrical Resistivity A sample is formed into a rectangular parallelepiped having a cross section of about 3.5 mm square and a length of about 8 mm, and fixed to the sample holder in the same manner as the above-mentioned Seebeck coefficient measurement. Holders at both ends become current terminals of the AC power supply (same (g)). An alternating current is applied, and the voltage is measured with a voltage measurement terminal connected with a conductive epoxy-based adhesive at two points between both ends of the sample, and a phase-sensitive detector is used to generate a weak voltage signal An accurate electrical resistance R was measured, and an electrical resistivity ρ = R × A / L was obtained from sample dimensions (cross sectional area A, distance L between terminals). Tables 1 to 4 show the electrical resistivity (mΩ cm) at 80 K and 300 K.
・熱伝導度
試料を断面が約3.5mm角、長さが約8mmの直方体に成形し、上記のゼーベック係数測定と同様にサンプルホルダーに固定する。サンプルホルダーについた加熱用ヒーターから一定の熱量で試料を加熱し、試料の両端の間の二箇所に導電性エポキシ系接着剤で接続した測温抵抗体で温度差の経時変化を計測することで熱伝導Kを計算し、さらに試料寸法から熱伝導度κ=K×L/Aを得た。表1〜4には、80K及び300Kでの熱伝導度(W/m・K)を示す。Thermal Conductivity The sample is formed into a rectangular parallelepiped having a cross section of about 3.5 mm square and a length of about 8 mm, and fixed to the sample holder in the same manner as the above-mentioned Seebeck coefficient measurement. By heating the sample with a fixed amount of heat from the heater attached to the sample holder, and measuring the time-dependent change in temperature difference with a resistance temperature detector connected at two points between the two ends of the sample with a conductive epoxy adhesive The thermal conductivity K was calculated, and the thermal conductivity κ = K × L / A was obtained from the sample dimensions. Tables 1 to 4 show the thermal conductivity (W / m · K) at 80 K and 300 K.
図4〜図6に示されるように、実施例1では、n型の熱電特性、実施例45ではp型の熱電特性を示しており、本発明においては、合金の組成などを調整することにより、n型及びp型のいずれの熱電変換材料にもなることが分かる。 As shown in FIGS. 4 to 6, in Example 1, n-type thermoelectric characteristics and in Example 45 p-type thermoelectric characteristics are shown, and in the present invention, the composition and the like of the alloy are adjusted. , And n-type and p-type thermoelectric conversion materials.
また、実施例1,45においては、金属組成物を所定の温度及び圧力で加熱・加圧する第1の加熱加圧工程を行った後、合金を、第1の加熱加圧工程よりも低い温度及び低い圧力下におき、さらに、所定の温度及び圧力で加熱・加圧する第2の加熱加圧工程を行った。これに対して、実施例1,45と同じ組成である比較例1,45においては、第1の加熱加圧工程のみを行っている。従って、実施例1、45の合金の方が、比較例1,2の合金よりも、密度が高められているといえる。 In Examples 1 and 45, after performing the first heating and pressing step of heating and pressing the metal composition at a predetermined temperature and pressure, the alloy is heated to a temperature lower than that of the first heating and pressing step. And a second heating and pressurizing step of heating and pressurizing at a predetermined temperature and pressure under a low pressure. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 45 having the same composition as in Examples 1 and 45, only the first heating and pressing step is performed. Therefore, it can be said that the density of the alloy of Examples 1 and 45 is higher than that of the alloys of Comparative Examples 1 and 2.
すなわち、実施例1〜92においては、2回目の加熱加圧工程において、密度が高められるため、熱伝導度も高められると考える。ところが、実施例1〜92においては、300Kにおける熱伝導度については、比較例1,2よりも顕著に低下している。これは、実施例1〜92においては、第1の加熱加圧工程に加えて、さらに、冷却・減圧を行った後に、第2の加熱加圧工程を行っているため、合金の結晶内に複数の転位及び双晶の少なくとも一方が形成され(図7参照)、結果として、熱伝導度が顕著に低下したと理解することができる(表1〜4)。実際、比較例1、2の合金においては、結晶内に複数の転位及び双晶は観察されなかった(図7を参照)。また、例えば、図6に示されるように、実施例1、45の合金は、それぞれ、n型、p型のいずれにおいても、同じ組成である比較例1,2よりも、80K〜300Kにおける熱伝導度が顕著に低かった。 That is, in Examples 1 to 92, since the density is increased in the second heating and pressurizing step, it is considered that the thermal conductivity is also enhanced. However, in Examples 1 to 92, the thermal conductivity at 300 K is significantly lower than in Comparative Examples 1 and 2. This is because, in Examples 1 to 92, in addition to the first heating and pressurizing step, the second heating and pressurizing step is performed after cooling and depressurization, and therefore, in the crystal of the alloy. It can be understood that at least one of a plurality of dislocations and twins is formed (see FIG. 7), and as a result, the thermal conductivity is significantly reduced (Tables 1 to 4). In fact, in the alloys of Comparative Examples 1 and 2, plural dislocations and twins were not observed in the crystal (see FIG. 7). Also, for example, as shown in FIG. 6, the alloys of Examples 1 and 45 have heat at 80 K to 300 K more than Comparative Examples 1 and 2 having the same composition in either n-type or p-type, respectively. The conductivity was significantly lower.
このように、組成式:Bi1-x-ySbxMy(式中、Mは、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Se、Te、Ge、Sn、Pb、及びInからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素であり、0.03≦x≦0.95、0≦y0.00≦y≦0.20である)で表され、結晶内に、複数の転位及び複数の双晶の少なくとも一方を有する合金は、温度300Kの環境での熱伝導度が低く、かつ、80Kの低温下での電気抵抗率が低い、優れた熱電変換特性を示すことが分かる。一方、当該組成を有しているものの、結晶内に複数の転位または双晶を有していない比較例1においては、80Kの低温下での電気抵抗率が高く、温度300Kの環境での熱伝導度も高く、実施例1〜92の合金に比して、熱電変換性能に劣ることが明らかとなった。また、結晶内に複数の転位または双晶を有していない比較例2の合金については、80Kの低温下での電気抵抗率は低いものの、温度300Kの環境での熱伝導度が高く、実施例1〜92の合金に比して、熱電変換性能に劣ることが明らかとなった。Thus, the compositional formula: Bi 1 -xy Sb x M y (where, M is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Se, Te, Ge, Sn, Pb, and In And at least one element selected from the group consisting of: 0.03 ≦ x ≦ 0.95, 0 ≦ y0.00 ≦ y ≦ 0.20), and a plurality of dislocations and a plurality of dislocations in the crystal. It is understood that an alloy having at least one of twins has excellent thermal conductivity and low thermal conductivity in an environment at a temperature of 300 K and low electric resistivity at a low temperature of 80 K. On the other hand, in Comparative Example 1 having the composition but not having a plurality of dislocations or twins in the crystal, the electrical resistivity at a low temperature of 80 K is high, and the heat in an environment of a temperature of 300 K The conductivity was also high, and it was revealed that the thermoelectric conversion performance was inferior to the alloys of Examples 1 to 92. In addition, the alloy of Comparative Example 2 having no plurality of dislocations or twins in the crystal has low electrical resistivity at a low temperature of 80 K, but high thermal conductivity in an environment at a temperature of 300 K. It turned out that it is inferior to thermoelectric conversion performance compared with the alloy of Examples 1-92.
Claims (7)
温度300Kにおいて、4.00W/m・K以下の熱伝導度を有する、合金。Composition formula: Bi in 1-xy Sb x M y (wherein, M is, Ti, V, Cr, Mn , Fe, Co, Ni, Cu, Se, Te, Ge, Sn, Pb, and from the group consisting of In At least one element selected and represented by 0.03 ≦ x ≦ 0.95, 0.00 ≦ y ≦ 0.20)
An alloy having a thermal conductivity of 4.00 W / m · K or less at a temperature of 300 K.
前記金属組成物を加圧して、合金前駆体を得る工程2と、
前記合金前駆体を、温度353K〜573K、及び圧力5MPa〜100MPaの条件で加熱及び加圧して、合金を得る、第1の加熱加圧工程3と、
前記合金を、前記第1の加熱加圧工程よりも低い温度及び低い圧力下におく工程4と、
工程4の後、前記合金を、温度353K〜573K、及び圧力5MPa〜100MPaの条件で加熱及び加圧する、第2の加熱加圧工程と、
を備える、合金の製造方法。Bi, Sb, and M (where M is Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Se, Te, Ge, Sn, Pb, and In, and at least one element selected from the group consisting of So that the molar ratio of 1) -x-y: x: y (where 0.03 ≦ x ≦ 0.95, 0.00 ≦ y ≦ 0.20), Step 1 of obtaining a metal composition in which an alloy, an intermetallic compound, or a solid solution composed of a single Bi metal, a single Sb metal, a single M metal, or at least two of these metals is mixed,
Pressurizing the metal composition to obtain an alloy precursor;
A first heating and pressing step 3 of heating and pressing the alloy precursor under conditions of a temperature of 353 K to 573 K and a pressure of 5 MPa to 100 MPa to obtain an alloy;
Placing the alloy under a lower temperature and a lower pressure than the first heating and pressing step;
A second heating and pressing step of heating and pressing the alloy under conditions of a temperature of 353 K to 573 K and a pressure of 5 MPa to 100 MPa after the step 4;
A method of manufacturing an alloy, comprising:
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