WO2014014126A1 - 熱電変換材料およびそれを用いた熱電変換モジュール並びに熱電変換材料の製造方法 - Google Patents

熱電変換材料およびそれを用いた熱電変換モジュール並びに熱電変換材料の製造方法 Download PDF

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Definitions

  • Embodiments relate to a thermoelectric conversion material, a thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion material, and a method of manufacturing a thermoelectric conversion material.
  • thermoelectric cooling element using the Peltier effect which is a chlorofluorocarbon-free cooling device
  • the performance index Z of the thermoelectric conversion material is represented by the following formula (1).
  • Z ⁇ 2 / ( ⁇ ) (1)
  • ⁇ the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material
  • ⁇ the electrical resistivity of the thermoelectric conversion material
  • ⁇ the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material
  • thermoelectric conversion material Z has the dimension of the reciprocal of temperature, and when this figure of merit Z is multiplied by the absolute temperature T, it becomes a dimensionless value.
  • This ZT value is called a dimensionless figure of merit, and the thermoelectric conversion efficiency increases as the thermoelectric conversion material has a higher ZT value.
  • the thermoelectric conversion material is required to have a higher Seebeck coefficient, a lower electrical resistivity, and a lower thermal conductivity.
  • Conventional thermoelectric conversion materials used PbTe alloys, but Pb (lead) was harmful to the human body.
  • a half-Heusler compound having an MgAgAs-type crystal phase has attracted attention as one of thermoelectric conversion materials that can be used up to high temperatures and contain no harmful substances or reduced as much as possible.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-173799 Patent Document 1 required a half-Heusler compound to have a higher ZT value, although a certain improvement in ZT value was observed by providing a predetermined composition.
  • Patent Document 2 has developed a half-Heusler alloy having an improved ZT value by providing crystals with different Ti molar concentrations.
  • thermoelectric conversion material including two or more phases of MgAgAs crystals having different Ti molar concentrations shows a certain improvement in ZT value.
  • thermoelectric conversion material since the thermoelectric conversion material is made of a polycrystal, it is difficult to uniformly present two or more phases of MgAgAs crystal particles having different Ti molar concentrations. If the existence ratio of MgAgAs type crystal particles of two or more phases having different Ti molar concentrations varies, the characteristics of the individual thermoelectric conversion materials vary. For this reason, when a thermoelectric conversion module is formed by arranging a plurality of thermoelectric conversion materials, there is a problem that the characteristics of the module vary. Embodiments are for addressing such problems, thermoelectric conversion materials with improved ZT values and reduced characteristic variations thereon, thermoelectric conversion modules using the same, and methods of manufacturing thermoelectric conversion materials Is intended to provide.
  • thermoelectric conversion material of the embodiment is represented by the following composition formula (1), and is a thermoelectric conversion material composed of a polycrystal having an MgAgAs type crystal structure, and an MgAgAs type crystal having regions having different Ti concentrations in the polycrystal. It is characterized by comprising particles.
  • the frequency graph When creating a frequency graph in which the intensity of X-rays and the frequency for each characteristic X-ray intensity of Ti are plotted on the vertical axis, the frequency graph preferably includes MgAgAs-type crystal particles having two or more peaks. Also, the characteristic X-rays of Ti were measured at 0.2 ⁇ m intervals in one MgAgAs type crystal particle by EBSD (Backscattered Electron Diffraction) on an arbitrary sintered surface of the thermoelectric conversion material, and the horizontal axis represents the Ti characteristics.
  • EBSD Backscattered Electron Diffraction
  • the frequency graph comprises MgAgAs-type crystal particles having two or more peaks, It is preferable that the ratio (K1 / K2) between the frequency K1 and the frequency K2 with the smallest peak is 1.2 or more.
  • a characteristic X-ray of Ti was measured at an interval of 0.2 ⁇ m in one MgAgAs crystal particle by EBSD (backscattered electron diffraction) with a measurement area of 240 ⁇ m ⁇ 80 ⁇ m on an arbitrary sintered surface of a thermoelectric conversion material.
  • the MgAgAs type crystal particles having two or more peaks
  • the number ratio of crystal grains is preferably 30% or more and 100% or less. Further, when the measurement area of 240 ⁇ m ⁇ 80 ⁇ m is analyzed by EBSD (backscattered electron diffraction) on an arbitrary sintered surface of the thermoelectric conversion material, when the total number of crystal particles per unit area is 1, (001) plane, It is preferable that the number ratio of the crystal grains showing any crystal orientation of the (101) plane and the (111) plane is less than 0.5.
  • the average crystal grain size is preferably 2 to 40 ⁇ m.
  • the polycrystalline body is preferably a sintered body. Moreover, it is preferable that MgAgAs type
  • mold crystal particle is 92% or more by area ratio per measurement area of 240 micrometers x 80 micrometers.
  • the thermoelectric conversion module of the embodiment is characterized by using the thermoelectric conversion material of the embodiment. Moreover, the manufacturing method of the 1st thermoelectric conversion material of embodiment prepares a raw material powder by cooling the raw material molten metal at the cooling rate of 100 degrees C / s or less, and the process of preparing the raw material molten material which satisfy
  • the method comprises a step, a step of molding the obtained raw material powder, and a step of sintering the obtained molded body.
  • the process of preparing raw material powder comprises the process of grind
  • the manufacturing method of the 2nd thermoelectric conversion material of embodiment prepares the raw material powder by rapidly cooling the raw material molten metal with the process of preparing the raw material molten metal satisfying the composition formula (1) at a cooling rate exceeding 100 ° C./s. And a step of heat-treating the obtained raw material powder, a step of forming the raw material powder after the heat treatment, and a step of sintering the obtained molded body.
  • the manufacturing method of the 3rd thermoelectric conversion material of embodiment prepares raw material powder by rapidly cooling the raw material molten metal with the process of preparing the raw material molten metal satisfying the composition formula (1) at a cooling rate exceeding 100 ° C./s. And a step of molding the obtained raw material powder, a step of sintering the obtained molded body, and a heat treatment step of heat-treating the obtained sintered body. Moreover, it is preferable that the process of preparing a raw material powder by quenching at a cooling rate exceeding 100 ° C./s is an atomizing method.
  • thermoelectric conversion material of the embodiment has a high ZT value and reduced variation in characteristics. Therefore, the characteristics of the thermoelectric conversion module are also improved. Moreover, if it is the manufacturing method of the thermoelectric conversion material of embodiment, the thermoelectric conversion material of embodiment can be manufactured with a sufficient yield.
  • thermoelectric conversion module of embodiment The figure which shows an example of the thermoelectric conversion module of embodiment.
  • FIG. 4 is a color photograph showing an example of a crystal orientation map by EBSD of Example 1.
  • FIG. 10 is a color photograph showing an example of a crystal orientation map by EBSD of Comparative Example 3.
  • thermoelectric conversion material of the embodiment is represented by the following composition formula (1), and is a thermoelectric conversion material composed of a polycrystal having an MgAgAs type crystal structure, and regions having different Ti concentrations in the polycrystal having the MgAgAs type crystal structure. MgAgAs-type crystal particles having the above are included. (A a Ti b ) c D d X e ...
  • the element A is at least one of Zr (zirconium) and Hf (hafnium).
  • the A element is an element necessary for making the phase having the MgAgAs type crystal structure together with the Ti and X elements described later as the main phase.
  • the Hf / Zr atomic ratio is preferably 0.1 or less (Zr / Hf atomic ratio is 0.9 or more). Since Ti (titanium) is cheaper than Zr and Hf, the cost of the heat conversion material can be reduced by replacing part of the A element with Ti. Moreover, the effect of thermal conductivity reduction is acquired by containing Ti.
  • the X element is at least one element of Sn (tin) or Sb (antimony).
  • the element D is at least one element selected from Ni (nickel), Co (cobalt), and Fe (iron).
  • the D element is an effective element for stabilizing the phase of the MgAgAs crystal structure.
  • Ni and Co are preferable, and the corrosion resistance is further improved.
  • composition formula (1) is an average value when the composition of 0.1 g or more of sample pieces of the thermoelectric conversion material is examined.
  • the D element when an N-type thermoelectric conversion material is used, it is preferable that the D element is Ni-rich and an X element is Sn-rich, and when a P-type thermoelectric conversion material is used, the D element is Co-rich and the X element is Sb-rich.
  • the thermoelectric conversion material of embodiment should just comprise 92% or more of MgAgAs type
  • the other phase is a group 4a-Sn phase (for example, Ti 5 Sn 3 ) Is 8% or less, Sn phase is 2% or less, Group 4a oxide is 1% or less, and the like.
  • the reaction phase with the component mixed from the crucible may be included in the raw material melting step in an amount of 1.5% or less.
  • the reaction phase with components mixed from the crucible include reactants with D elements such as an AlNi phase and an AlCo phase when an Al-based crucible (made of alumina) is used.
  • the metal impurities other than those shown in the composition formula (1) are preferably 3000 wtppm or less, more preferably 2500 wtppm or less.
  • the metal impurity is mainly iron (Fe) or chromium (Cr). Further, part or all of the metal impurities may be contained in the MgAgAs type crystal lattice.
  • the thermoelectric conversion material of the embodiment is represented by the composition formula (1).
  • the thermoelectric conversion material made of a polycrystal having the MgAgAs type crystal structure the crystal particles having regions having different Ti concentrations are included in the MgAgAs type crystal particles. It is characterized by comprising. This means that there is a crystal particle in which a region having a different Ti concentration exists in one MgAgAs type crystal particle.
  • EBSD is backscattered electron diffraction (Electron Backscatter Diffraction). EBSD irradiates a sample set in an SEM sample chamber with an electron beam, captures an image of a backscattered electron diffraction pattern projected on a fluorescent screen with a CCD camera, and indexes the obtained crystal information. This is a method for measuring crystal orientation. Examples of the crystal information include a space group, a lattice constant, and atomic coordinates (crystal orientation).
  • thermoelectric conversion material of the embodiment since the b value indicating the Ti amount in the composition formula (1) is 0.3 ⁇ b ⁇ 0.8, the phase structure having different compositions has two or more phases having different Ti concentrations. It can be said that it is a structure. Further, when the characteristic X-rays of Ti are examined, there are regions where the peak intensity ratios of the characteristic X-rays of Ti are different in one crystal particle, and therefore analysis is possible from this point.
  • the analysis of EBSD is performed after polishing an arbitrary sintered surface of the thermoelectric conversion material to a flat surface with a surface roughness Ra of 5 ⁇ m or less.
  • the analysis of EBSD is observed at an acceleration voltage of 20 kV and a magnification of 1000 times or more.
  • the peak intensity ratio of Ti characteristic X-rays is 15 or more and 15 or less. For example, it can be seen that there are regions having different Ti concentrations in one MgAgAs crystal grain.
  • FIG. 2 shows an example of the crystal structure of the thermoelectric conversion material of the embodiment.
  • 7 is a MgAgAs type crystal particle
  • 8 is a region having a different Ti concentration.
  • a region having a high Ti concentration region having a characteristic X-ray of 15 or more
  • a region having a low Ti concentration The region where the characteristic X-ray is less than 15
  • two or more regions 8 having different Ti concentrations may be provided in one crystal particle.
  • a characteristic X-ray of Ti is measured at intervals of 0.2 ⁇ m in one MgAgAs type crystal particle by EBSD (backscattered electron diffraction) for an arbitrary cross section of the thermoelectric conversion material, and a characteristic X-ray of Ti is plotted on the horizontal axis.
  • the frequency graph is created by plotting the frequency for each characteristic X-ray intensity ratio of Ti on the vertical axis and the vertical axis, the frequency graph preferably includes MgAgAs-type crystal particles having two or more peaks.
  • FIG. 3 shows an example of a method for measuring Ti characteristic X-rays.
  • 7 is a MgAgAs type crystal particle
  • 9 is a measurement point of characteristic X-rays of Ti.
  • characteristic X-rays of Ti are measured at intervals of 0.2 ⁇ m.
  • the intensity ratio of the measured characteristic X-rays of Ti is obtained.
  • a frequency graph is created by plotting the appearance frequency for each intensity ratio.
  • Example 7 shows the intensity ratio on the horizontal axis and the frequency of the intensity ratio on the vertical axis.
  • the peak of intensity ratio 22.5 is P 1
  • P of intensity ratio 28 peak 2 is P of intensity ratio 32 peak 3
  • Peak of intensity ratio 37 is P 4
  • the characteristic X-rays of Ti were measured at 0.2 ⁇ m intervals in one MgAgAs type crystal particle by EBSD (Backscattered Electron Diffraction) on an arbitrary sintered surface of the thermoelectric conversion material, and the horizontal axis represents the Ti characteristics.
  • the frequency graph comprises MgAgAs-type crystal particles having two or more peaks
  • the ratio (K1 / K2) between the frequency K1 and the frequency K2 with the smallest peak is 1.2 or more.
  • That two or more peaks exist and the peak ratio is 1.2 or more means that a Ti-rich region and a Ti poor region exist in one crystal particle.
  • the composition of the Ti-rich region has the same composition as the Ti amount
  • the composition of the Ti poor region also has the same composition as the Ti amount.
  • a large Ti concentration region is preferable because the thermal conductivity can be reduced to 3.0 W / m ⁇ K or less, and further to 2.0 W / m ⁇ K or less.
  • the difference between the maximum value and the minimum value is preferably 10 or more, and more preferably 15 or more.
  • “Maximum value ⁇ minimum value ⁇ 10” means that the frequency graph is a broad and broad graph. The broad graph indicates that the difference in Ti concentration in the MgAgAs type crystal particles is large. If the Ti concentration difference in the crystal grains is large, it becomes easier to obtain the effect of improving the characteristics.
  • a measurement area of 240 ⁇ m ⁇ 80 ⁇ m is measured by EBSD (backscattered electron diffraction), and a characteristic X-ray of Ti is measured at intervals of 0.2 ⁇ m inside one MgAgAs type crystal particle.
  • EBSD backscattered electron diffraction
  • a characteristic X-ray of Ti is measured at intervals of 0.2 ⁇ m inside one MgAgAs type crystal particle.
  • the MgAgAs crystal grains having regions with different Ti concentrations as described above are present in an amount of 30% to 100% per unit area, so that the variation in the structure per unit area can be reduced and the characteristics can be improved. If the number ratio per unit area is as small as less than 30%, the presence ratio of MgAgAs type crystal particles having regions with different Ti concentrations is small, and there is a risk of variation in characteristics. In particular, since it is a polycrystal, it is preferable that MgAgAs type crystal grains having regions having different Ti concentrations at a predetermined ratio exist as a crystal structure. Therefore, MgAgAs type crystal grains having regions with different Ti concentrations are preferably 30% to 100%, more preferably 50% to 100% per unit area.
  • the method for measuring the number of MgAgAs crystal grains having regions with different Ti concentrations per unit area counts the total number of crystal grains present in an area of 240 ⁇ m ⁇ 80 ⁇ m and the number of crystal grains with different Ti concentrations. .
  • the number ratio (number of crystal grains having different Ti concentrations / total number) ⁇ 100%. This operation is performed for three measurement areas (240 ⁇ m ⁇ 80 ⁇ m) to obtain the number ratio.
  • color mapping for dividing the Ti concentration into a region having a characteristic X-ray intensity ratio of 15 or more and a region having a characteristic ratio of less than 15 may be performed.
  • the intensity ratio of Ti characteristic X-rays may be an arbitrary intensity ratio such as 20 or more and less than 20. As described above, it is preferable that the Ti concentration frequency graph has two or more peaks.
  • EBSD backscattered electron diffraction
  • the frequency graph When a frequency graph in which the intensity ratio of Ti characteristic X-rays is plotted on the vertical axis and the frequency for each Ti characteristic X-ray intensity is plotted on the vertical axis, the frequency graph has one peak, The lower limit value of the grab is ⁇ 5 or less from the frequency showing the peak, and the upper limit value of the frequency graph is +5 or more from the frequency showing the peak. Further, the value obtained by subtracting the lower limit value from the upper limit value of the frequency graph is preferably 15 or more, and more preferably 20 or more.
  • the MgAgAs type crystal Since the Ti concentration difference in the particles becomes large, the same effect as that obtained when the frequency graph has two or more peaks can be obtained.
  • the value obtained by subtracting the lower limit value from the upper limit value of the frequency graph is 15 or more, and more preferably 20 or more.
  • a concentration difference is generated for each of the constituent elements shown in the composition formula (1).
  • the occurrence of such a concentration difference can also reduce the thermal conductivity of the MgAgAs type crystal particles.
  • EBSD backscattered electron diffraction
  • the number ratio of crystal grains showing any crystal orientation of (001) plane, (101) plane, and (111) plane is less than 0.5. This indicates that the crystal structure is not a crystal structure oriented in a specific crystal orientation but a randomly oriented crystal structure. When the orientation is random, the structure is more uniform and the characteristics are stabilized.
  • the average crystal grain size is preferably 2 to 40 ⁇ m. If the average crystal grain size is less than 2 ⁇ m, the crystal grains are too small to form crystal grains having regions having different Ti concentrations in one crystal grain. Further, if the average crystal grain size is larger than 40 ⁇ m, there is a risk that the variation in crystal structure becomes large.
  • the average crystal grain size is preferably 2 to 40 ⁇ m, more preferably 5 to 20 ⁇ m.
  • the measuring method of an average crystal grain diameter uses the structure
  • the polycrystalline body is preferably a sintered body. As will be described later, a sintered body can be manufactured with good yield. Next, the thermoelectric conversion module will be described. FIG.
  • 1 shows an example of a thermoelectric conversion module.
  • 1 is a P-type thermoelectric conversion material
  • 2 is an N-type thermoelectric conversion material
  • 3a and 3b are electrodes
  • 4a and 4b are insulating substrates
  • 5 is a hole
  • 6 is an electron.
  • the lower surfaces of the P-type thermoelectric conversion material 1 and the N-type thermoelectric conversion material 2 are connected by an electrode 3 supported on the lower insulating substrate 4b.
  • Electrodes 3b and 3b are disposed on the upper surfaces of the P-type thermoelectric conversion material 1 and the N-type thermoelectric conversion material 2, respectively, and an upper insulating substrate 4a is provided outside the electrodes 3b and 3b.
  • thermoelectric conversion material 1 and the N-type thermoelectric conversion material 2 are arranged in pairs, and a plurality of P-type and N-type thermoelectric conversion materials are alternately arranged. It is assumed that the thermoelectric conversion material of the embodiment is used for either one or both of the N type and the P type among the thermoelectric conversion materials of the thermoelectric module. When the thermoelectric conversion material of the embodiment is used for only one of the N-type and the P-type, a Bi-Te-based material, a Pb-Te-based material, or the like may be used for the other. In consideration of the characteristics of the thermoelectric module and the harmfulness of Pb, it is preferable to use the thermoelectric conversion material of the embodiment for both P-type and N-type.
  • the insulating substrate (4a, 4b) is preferably a ceramic substrate, for example, a silicon nitride substrate having a three-point bending strength of 700 MPa or more.
  • the electrodes (3a, 3b, 3) are preferably those having good conductivity such as a copper plate and an aluminum plate.
  • a high-temperature brazing material for joining the electrode and the thermoelectric conversion material.
  • the high temperature brazing material preferably has a melting point in the range of 600 to 900 ° C.
  • thermoelectric conversion material of the embodiment can be used even when the high temperature side is in a high temperature region of 300 to 500 ° C.
  • the melting point of the brazing material is not 600 ° C. or higher, the brazing material will melt and the module will be damaged.
  • the principle of the thermoelectric conversion module will be described. A temperature difference is applied so that the lower insulating substrate 4b is at a low temperature and the upper insulating substrate 4a is at a high temperature. In this case, the positively charged hole 5 moves to the high temperature side (upper side) inside the P-type thermoelectric conversion material 1.
  • thermoelectric conversion material of the embodiment has improved characteristics and reduced characteristic variations, it is effective for stabilizing the characteristics of the thermoelectric conversion module.
  • the manufacturing method of the thermoelectric conversion material of embodiment is demonstrated. Although the manufacturing method of the thermoelectric conversion material of embodiment is not specifically limited, The following manufacturing method is mentioned as a method of obtaining efficiently.
  • the manufacturing method of the 1st thermoelectric conversion material of embodiment prepares a raw material powder by cooling the raw material molten metal at the cooling rate of 100 degrees C / s or less, and the process of preparing the raw material molten material which satisfy
  • the method comprises a step, a step of molding the obtained raw material powder, and a step of sintering the obtained molded body.
  • a step of preparing a raw material melt that satisfies the composition formula (1) is performed.
  • the element A, Ti, D element, and X element are mixed so as to have the target composition formula (1), and melted to prepare the raw material melt.
  • a melting method such as arc melting or high-frequency melting is preferred.
  • the melting crucible is preferably alumina, magnesia, or calcia.
  • components constituting the crucible may be mixed as impurities. Even if the impurity Al is mixed as described above, it reacts with the D element such as Ni or Co, so that the influence of the impurity mixing can be reduced.
  • the raw material molten metal is cooled at a cooling rate of 100 ° C./s or less to prepare a raw material powder.
  • the raw material molten metal usually has a high temperature of 1500 ° C. or higher.
  • the process of preparing raw material powder comprises the process of grind
  • the molten raw material charged into the mold is cooled to become an ingot.
  • the pulverization step include a jet mill, a hammer mill, and a pin mill.
  • a jet mill may be used, and when exceeding 10 ⁇ m, a hammer mill or a pin mill may be used.
  • These pulverization methods may be combined.
  • the average particle diameter of raw material powder shall be 1 micrometer or more and 60 micrometers or less.
  • moldability and sinterability are improved.
  • molding the obtained raw material powder is performed.
  • the molding process include mold molding and sheet molding.
  • an organic binder such as PVA is used as necessary.
  • the size of the molded body may be larger than that of the actual thermoelectric conversion material, or may be a near net shape molded body close to the actual thermoelectric conversion material.
  • the process of sintering the obtained molded object is performed.
  • the sintering method examples include atmospheric pressure sintering, atmospheric pressure sintering method, hot pressing method, SPS (discharge plasma sintering) method, HIP (hot isostatic pressing) method and the like.
  • the hot press method may be a method in which molding and sintering are performed in the same mold.
  • sintering temperature is 950 degreeC or more and 1600 degrees C or less
  • sintering time is 0.5 h or more and 50 h or less
  • sintering pressure is normal pressure or more and 200 MPa or less.
  • the density of the obtained sintered body may be a relative density of 98% or more.
  • the sintered body density can be obtained by (actual measured value / theoretical density by Archimedes method) ⁇ 100%.
  • thermoelectric conversion material thermoelectric element
  • a margin increases and the utilization efficiency of material falls. For this reason, it is preferable to apply a near net shape process, to form a size substantially similar to the element shape, and to sinter.
  • the sintering density is slightly insufficient in the normal pressure sintering, the density can be increased by HIP treatment.
  • thermoelectric conversion material when mounted on the thermoelectric module are, for example, a cylindrical shape with an outer diameter of 0.5 to 10 mm and a thickness of 1 to 30 mm, and a rectangular parallelepiped shape with a thickness of 0.5 to 10 mm and a thickness of 1 to 30 mm. Etc.
  • the tolerance can be reduced by a method such as mechanical polishing.
  • surface treatment such as Ni, Ni / Au or Ti / Ni / Au can be performed on the processed sample by high-heat-resistant insulating coating on four surfaces and plating or vapor deposition on two surfaces.
  • the total thickness may be 1 to 20 ⁇ m. This has an effect as a barrier layer that prevents the diffusion of the material, as well as the high reliability of the joint by improving the wettability at the time of brazing.
  • the second manufacturing method will be described.
  • the second production method includes a step of preparing a raw material melt satisfying the composition formula (1), a step of rapidly cooling the raw material melt at a cooling rate exceeding 100 ° C./s to prepare a raw material powder, and the obtained raw material powder And a step of forming the raw material powder after the heat treatment, and a step of sintering the obtained molded body. Since the process of preparing the raw material melt is the same as the first manufacturing method, it is omitted. In the second production method, the raw material melt is rapidly cooled at a cooling rate exceeding 100 ° C./s to prepare a raw material powder. And the process which heat-processes to the obtained raw material powder is performed.
  • Examples of the step of quenching at a cooling rate exceeding 100 ° C./s include a single roll method, a twin roll method, a rotating disk method, and a gas atomizing method. It is preferable because the particle size of the obtained raw material powder can be controlled by adjusting the amount of molten metal introduced, the rotation speed of the rolls and disks, and the amount of gas injection. Further, the gas atomization method can prevent impurities from being mixed during pulverization. When the raw material powder is prepared in the process of rapid cooling at a cooling rate exceeding 100 ° C./s, unlike the first production method, MgAgAs-type crystal particles having regions with different Ti concentrations are hardly formed in the powder stage. Therefore, it is preferable to heat-treat the raw material powder.
  • the heat treatment is preferably performed at 800 to 1500 ° C. for 1 to 1000 hours in an inert atmosphere. Even if the raw material powder is adjusted at a cooling rate exceeding 100 ° C./s, it is possible to form MgAgAs-type crystal particles having regions with different Ti concentrations by heat treatment.
  • the subsequent molding process and sintering process are the same as in the first manufacturing method.
  • the manufacturing method of the third thermoelectric conversion material of the embodiment includes a step of preparing a raw material melt satisfying the composition formula (1) and a step of rapidly cooling the raw material melt at a cooling rate exceeding 100 ° C./s to prepare a raw material powder.
  • a step of molding the obtained raw material powder, a step of sintering the obtained molded body, and a heat treatment step of subjecting the obtained sintered body to a heat treatment is the same as the first manufacturing method.
  • the process of rapidly cooling the raw material melt at a cooling rate exceeding 100 ° C./s to prepare the raw material powder is the same as in the second manufacturing method.
  • the molding process and the sintering process are the same as in the first manufacturing method.
  • the third production method is characterized in that a heat treatment is performed after obtaining a sintered body. This heat treatment is preferably performed at 800 to 1600 ° C. for 1 to 1000 hours in an inert atmosphere.
  • thermoelectric conversion material thermoelectric element
  • MgAgAs-type crystal particles having regions having different Ti concentrations can be formed.
  • this heat treatment may be performed after a thermoelectric conversion material having a final shape is cut out from a large sintered body.
  • heat treatment is performed after making the thermoelectric conversion material (thermoelectric element) in the final shape, heat can be evenly transmitted to the sintered body, and MgAgAs type crystal particles having regions with different Ti concentrations can be formed. From this point of view, it is also effective to perform near-net shape so that the sintered body has a shape close to the final shape thermoelectric conversion material (thermoelectric element) in advance.
  • the first, second and third production methods are suitable for producing a thermoelectric conversion material having a frequency graph of Ti concentration having two or more peaks. If it is the above 1st manufacturing method, 2nd manufacturing method, and 3rd manufacturing method, the thermoelectric conversion material of embodiment can be manufactured with a sufficient yield. In addition, it is also effective to use a mixture of two or more raw material powders that satisfy the composition formula (1) for both the first production method, the second production method, and the third production method. In particular, by using two or more raw material powders having different Ti amounts, a difference in Ti concentration can be easily imparted.
  • a Ti concentration frequency graph has one peak, and a thermoelectric conversion material having a lower limit value of ⁇ 5 or less and an upper limit value of +5 or more with respect to the frequency of the peak is produced.
  • This is a suitable production method.
  • a step of preparing a raw material melt that satisfies the composition formula (1) is performed.
  • the element A, Ti, D element, and X element are mixed so as to have the target composition formula (1), and melted to prepare the raw material melt.
  • a melting method such as arc melting or high-frequency melting is preferred.
  • the melting crucible is preferably alumina, magnesia, or calcia.
  • the raw material melt is cooled to prepare a raw material powder.
  • the cooling rate at this time may exceed 100 ° C./s. Specifically, normal furnace cooling (500 degrees C / s) is mentioned.
  • a cooling process puts a raw material molten metal in a metal mold
  • Examples of the pulverization step include a jet mill, a hammer mill, and a pin mill.
  • a jet mill may be used, and when exceeding 10 ⁇ m, a hammer mill or a pin mill may be used.
  • These pulverization methods may be combined.
  • the average particle diameter of raw material powder shall be 1 micrometer or more and 60 micrometers or less.
  • an organic binder such as PVA is used as necessary.
  • the size of the molded body may be larger than that of the actual thermoelectric conversion material, or may be a near net shape molded body close to the actual thermoelectric conversion material.
  • the process of sintering the obtained molded object is performed.
  • the sintering method include atmospheric pressure sintering, atmospheric pressure sintering method, hot pressing method, SPS (discharge plasma sintering) method, HIP (hot isostatic pressing) method and the like.
  • the hot press method may be a method in which molding and sintering are performed in the same mold.
  • sintering temperature is 950 degreeC or more and 1600 degrees C or less
  • sintering time is 0.5 h or more and 50 h or less
  • sintering pressure is normal pressure or more and 200 MPa or less.
  • the cooling rate after a sintering process shall be 100 degrees C / s or less.
  • the cooling rate after the sintering process is slowly cooled to 100 ° C./s or less, the Ti concentration in the MgAgAs-type crystal particles is uniform, the concentration distribution changes due to the heat of the sintering process, and the changed state It becomes stable. By performing this process, the Ti frequency graph has one peak, but it can be broad.
  • the cooling process is performed for each sintering process. For example, when atmospheric pressure sintering and HIP sintering are combined, the cooling rate after atmospheric pressure sintering is set to 100 ° C./s or less, and the cooling rate after HIP sintering is set to 100 ° C./s or less.
  • the density of the obtained sintered compact may become 98% or more of a relative density irrespective of which manufacturing method it is.
  • the sintered body density can be obtained by (actual measured value / theoretical density by Archimedes method) ⁇ 100%.
  • thermoelectric conversion material thermoelectric element
  • a margin increases and the utilization efficiency of material falls. For this reason, it is preferable to apply a near net shape process, to form a size substantially similar to the element shape, and to sinter.
  • the sintering density is slightly insufficient in the normal pressure sintering, the density can be increased by HIP treatment.
  • Example 1 and 2 A raw material melt was prepared by high-frequency heating using an alumina crucible. Next, it was put into a preheated mold and cooled at a cooling rate of 100 ° C./s or less to prepare an ingot. In Example 1 and Example 2, the cooling rate was 20 ° C./s. The obtained ingot was pulverized by a hammer mill method to obtain a raw material powder having an average particle diameter of 20 ⁇ m. Thereafter, HIP sintering (1230 ° C. ⁇ 4 hours ⁇ 100 MPa) was performed to produce a large sintered body. Next, 100 thermoelectric conversion materials of 2 mm long ⁇ 2 mm wide ⁇ 4 mm height were cut out from the large sintered body.
  • thermoelectric conversion material The composition of the thermoelectric conversion material is as shown in Table 1. In all cases, the relative density of the sintered body was 99% or more. In all cases, the metal impurity content was in the range of 500 to 1000 wtppm. (Examples 3 to 4) After preparing the raw material melt by high-frequency heating using an alumina crucible, a raw material powder was produced at a cooling rate exceeding 100 ° C./s using a gas atomization method. The cooling rate of Example 3 and Example 4 was 1000 ° C./s. The obtained raw material powder had an average particle size of 30 ⁇ m. This raw material powder was heat-treated at 1200 ° C. for 30 hours in an Ar atmosphere.
  • thermoelectric conversion material 1200 ° C. ⁇ 2 hours ⁇ 120 MPa
  • the composition of the thermoelectric conversion material is as shown in Table 2. In all cases, the relative density of the sintered body was 99% or more. In all cases, the content of metal impurities was in the range of 200 to 700 wtppm.
  • Examples 5 to 6 After preparing the raw material melt by high-frequency heating using a magnetic crucible, a raw material powder was produced at a cooling rate exceeding 100 ° C./s using a gas atomization method. The cooling rate of Example 5 and Example 6 was 500 ° C./s. The obtained raw material powder had an average particle size of 35 ⁇ m. Thereafter, HIP sintering (1150 ° C. ⁇ 5 hours ⁇ 150 MPa) was performed to produce a large sintered body. Next, 100 thermoelectric conversion materials of 2 mm long ⁇ 2 mm wide ⁇ 4 mm height were cut out from the large sintered body. Next, heat treatment was performed at 1200 ° C. for 100 hours in an Ar atmosphere.
  • thermoelectric conversion material The composition of the thermoelectric conversion material is as shown in Table 3. In all cases, the relative density of the sintered body was 99% or more. In all cases, the content of metal impurities was in the range of 200 to 700 wtppm. (Examples 7 to 8)
  • a raw material melt was prepared by high-frequency heating using an alumina crucible. Next, it was put into a preheated mold and cooled at a cooling rate of 100 ° C./s or less to prepare ingots having the compositions shown in Table 4. In Example 7, the cooling rate was 100 ° C./s, and in Example 8, the cooling rate was 80 ° C./s.
  • the obtained ingot was pulverized by a hammer mill method to obtain raw material powders each having an average particle diameter of 20 ⁇ m.
  • raw material 1 and raw material 2 were mixed at a weight ratio of 1: 1 using a ball mill to obtain a powder for a sintered body.
  • raw material 3 and raw material 4 were mixed at a weight ratio of 1: 1 using a ball mill to obtain a powder for a sintered body.
  • HIP sintering (1230 ° C. ⁇ 4 hours ⁇ 100 MPa) was performed to produce a large sintered body.
  • 100 thermoelectric conversion materials of 2 mm long ⁇ 2 mm wide ⁇ 4 mm height were cut out from the large sintered body.
  • thermoelectric conversion material The composition of the thermoelectric conversion material is as shown in Table 4. In all cases, the relative density of the sintered body was 99% or more. In all cases, the content of metal impurities was in the range of 500 to 1300 wtppm.
  • Examples 9 to 10 A raw material melt was prepared by high-frequency heating using an alumina crucible. Next, it was put into a preheated mold and cooled at a cooling rate of 100 ° C./s or less to prepare an ingot. In Example 9, the cooling rate was 20 ° C./s, and in Example 10, the cooling rate was 5 ° C./s. Thereafter, heat treatment was performed at 1200 ° C. for 10 hours in an Ar atmosphere.
  • Example 9 obtained a raw material powder having an average particle diameter of 25 ⁇ m and Example 10 having an average particle diameter of 42 ⁇ m. Thereafter, HIP sintering (1200 ° C. ⁇ 10 hours ⁇ 100 MPa) was performed to produce a large sintered body. Next, 100 thermoelectric conversion materials of 2 mm long ⁇ 2 mm wide ⁇ 4 mm height were cut out from the large sintered body. The composition of the thermoelectric conversion material is as shown in Table 5. In all cases, the relative density of the sintered body was 99% or more. In all cases, the metal impurity content was in the range of 700 to 1500 wtppm.
  • Comparative Examples 1 and 2 A raw material melt was prepared using an alumina crucible. Next, it put into the metal mold
  • the obtained ingot was pulverized using a hammer mill to obtain a raw material powder having an average particle diameter of 20 ⁇ m. Thereafter, HIP sintering (1250 ° C. ⁇ 3.5 hours ⁇ 100 MPa) was performed to produce a large sintered body. Next, 100 thermoelectric conversion materials of 2 mm long ⁇ 2 mm wide ⁇ 4 mm height were cut out from the large sintered body.
  • thermoelectric conversion material The composition of the thermoelectric conversion material is as shown in Table 6. In all cases, the content of metal impurities was in the range of 800 to 1700 wtppm.
  • Comparative Examples 3 to 4 After adjusting the raw material melt by high-frequency heating using an alumina crucible, raw material powders related to the raw materials 5 to 8 shown in Table 7 were obtained using a gas atomization method. The raw material 5 had an average particle size of 34 ⁇ m, the raw material 6 had an average particle size of 37 ⁇ m, the raw material 7 had an average particle size of 38 ⁇ m, and the raw material 8 had an average particle size of 40 ⁇ m.
  • the cooling rate of Comparative Example 3 and Comparative Example 4 was 1000 ° C./s.
  • the mass ratio of the raw material 5 and the raw material 6 was measured so that it might become a sintered compact composition, and it mixed using the ball mill.
  • the mixed powder was hot-pressed in an Ar atmosphere at 1200 ° C. ⁇ 3 hours ⁇ 40 MPa.
  • the cooling rate after hot pressing was furnace cooling (600 ° C./s).
  • a P-type thermoelectric conversion material according to Comparative Example 3 was prepared.
  • the mass ratio of the raw material 7 and the raw material 8 was measured so that it might become the composition of a sintered compact, and it mixed using the ball mill.
  • the mixed powder was hot-pressed in an Ar atmosphere at 1300 ° C. ⁇ 1 hour ⁇ 40 MPa.
  • the cooling rate after hot pressing was furnace cooling (600 ° C./s).
  • thermoelectric conversion material according to Comparative Example 4 was prepared.
  • Comparative Example 3 corresponds to Example 6 of Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2010-129636), and Comparative Example 4 corresponds to Example 1.
  • the content of metal impurities was in the range of 500 to 1800 wtppm.
  • thermoelectric conversion materials according to Examples 1 to 10 and Comparative Examples 1 to 4 an EBSD analysis was performed on an arbitrary cross section. A frequency graph of characteristic X-rays of crystal orientation and Ti was obtained by EBSD analysis.
  • JSM-6500F manufactured by JEOL
  • TFE-SEM thermal field emission scanning electron microscope
  • Genesis-S-UTW manufactured by EDAX
  • EDS energy dispersive X-ray analyzer
  • the analysis conditions were an acceleration voltage of 20.0 kV, an irradiation current of 8.7 nA, and a sample inclination of 70 deg.
  • each sample processed the sintered compact surface into the flat surface of surface roughness Ra1 micrometer or less.
  • the characteristic graph of Ti characteristic X-ray shows the measurement of Ti characteristic X-rays at intervals of 0.2 ⁇ m in one MgAgAs-type crystal particle, the horizontal axis shows the intensity ratio of Ti characteristic X-rays, and the vertical axis shows the characteristic X of Ti.
  • a frequency graph was created by plotting the frequency for each line intensity. This operation was performed for a measurement area of 240 ⁇ m ⁇ 80 ⁇ m, and the number ratio of MgAgAs-type crystal particles having two or more peaks was determined. Similarly, the average crystal grain size and the area ratio of MgAgAs crystal grains were determined using an area of 240 ⁇ m ⁇ 80 ⁇ m. The results are shown in Table 8.
  • the crystal orientation was less than 0.5 for all of the (001) plane, (101) plane, and (111) plane, and was in a random orientation.
  • the frequency graph shows the number ratio of MgAgAs-type crystal particles having two or more peaks. Consistent with the results in Table 8.
  • the frequency graph of Example 7 was shown in FIG. FIG. 5 shows the crystal orientation map (color mapping) by EBSD of Example 1
  • FIG. 6 shows the crystal orientation map (color mapping) by EBSD of Comparative Example 3.
  • FIG. 5 and 6 show the result of color mapping in the region where the intensity ratio of characteristic X-rays of Ti is 15 or more and less than 15.
  • red, blue, and green represent the orientations of the respective crystal grains in the (001), (111), and (101) directions, and the intermediate colors represent the orientations of the respective intermediate directions.
  • a white portion is observed in one crystal particle. For example, when the strength of Ti is 15 or more, a portion having a lower strength is white. That is, a white region existing in one MgAgAs crystal grain is a region having a different Ti intensity ratio. In FIG. 5, there is a white region in most MgAgAs type crystal particles.
  • FIG. 5 shows the color photograph of FIG.
  • each MgAgAs type crystal particle is divided into various colors such as red, pink, blue, light blue, and green.
  • FIG. 6 although there are crystal particles that appear white as a whole, no white region exists in the MgAgAs-type crystal particles. For this reason, it can be seen that Comparative Example 3 does not have regions with different Ti concentrations in the MgAgAs-type crystal particles.
  • Comparative Example 3 does not have regions with different Ti concentrations in the MgAgAs-type crystal particles.
  • concentration was measured in Example 7, the same behavior as the Ti density
  • thermoelectric conversion materials of the examples and comparative examples were measured for the thermoelectric conversion materials of the examples and comparative examples.
  • the ZT value is measured by measuring the electrical resistance and Seebeck coefficient using ULVAC-RIKO's ZEM-3, and the thermal conductivity is calculated by measuring the thermal diffusivity by the laser flash method in an Ar atmosphere, the specific heat by the DSC method, and the density by the Archimedes method. did. Moreover, it measured with respect to 100 each produced, and showed the average value, the maximum value, and the minimum value.
  • Table 9 As can be seen from the table, the thermoelectric conversion materials according to the examples had high average values of ZT values and small variations. That is, it was found that there is an effect of stabilizing the characteristics.
  • thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion material according to the example has stable characteristics. In particular, it is effective for a large-scale thermoelectric conversion module with 50 pairs or more of P-type and N-type pairs.
  • Examples 11 to 14 A raw material melt was prepared by high-frequency heating using an alumina crucible. Next, it was put into a water-cooled mold and cooled at a cooling rate of 500 ° C./s or more to prepare an ingot. In Examples 11-12, the cooling rate was 500 ° C./s, and in Examples 13-14, 600 ° C./s. The alloys of Examples 11 to 12 were heat-treated in an Ar atmosphere at 800 ° C. for 20 hours. The obtained ingot was pulverized by a hammer mill method.
  • Example 11 to 14 raw material powders having an average particle size of 40 ⁇ m were obtained.
  • 5 wt% of PVA was mixed, and a molded body was prepared by a near net shape method using a mold.
  • the molded body was sintered in an Ar atmosphere at 1300 ° C. for 3 hours.
  • the cooling rate after sintering was set to 40 ° C./s for Example 11 and Example 12, and 70 ° C./s for Example 13 and Example 14.
  • HIP sintering (1230 ° C. ⁇ 3 hours ⁇ 120 MPa) was performed to produce 100 thermoelectric conversion materials having a length of 2 mm ⁇ width of 2 mm ⁇ height of 4 mm.
  • thermoelectric conversion material The cooling rate after HIP sintering was set to 10 ° C./s for Example 11 and Example 12, and 5 ° C./s for Example 13 and Example 14.
  • the composition of the thermoelectric conversion material is as shown in Table 10. In all cases, the relative density of the sintered body was 99% or more. In all cases, the metal impurity content was in the range of 500 to 1000 wtppm.
  • FIG. 7 is a frequency graph showing the relationship between the intensity ratio of the characteristic X-ray intensity of Ti and the frequency for the thermoelectric conversion material of Example 11. Next, ZT values were measured for the thermoelectric conversion materials according to Examples 11 to 14 in the same manner as in Example 1. The results are shown in Table 12.
  • thermoelectric conversion materials according to the examples had high average values of ZT values and small variations. Even if there is only one peak in the frequency graph, it is found that if the frequency graph shows a broad frequency graph of “maximum value ⁇ minimum value ⁇ 10”, the characteristics are improved.
  • a frequency P is 16.5 indicating the peak
  • the minimum value V 1 is 13.5
  • the maximum value V 2 was 29.5.
  • thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion material according to the example has stable characteristics. In particular, it is effective for a large-scale thermoelectric conversion module with 50 pairs or more of P-type and N-type pairs.

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Abstract

下記組成式（１）で表わされ、ＭｇＡｇＡｓ型結晶構造を有する多結晶体からなる熱電変換材料において、前記多結晶体内にＴｉ濃度の異なる領域を有するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を具備することを特徴とする。　 （ＡaＴｉｂ）ｃＤｄＸe　組成式（１） （上記組成式（１）中、ｄ＝１としたとき、０．２≦a≦０．７、０．３≦ｂ≦０．８、ａ＋ｂ＝１、０．９３≦ｃ≦１．０８、０．９３≦ｅ≦１．０８である。ＡはＺｒ、Ｈｆの少なくとも１種以上の元素、ＤはＮｉ、ＣｏおよびＦｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種以上の元素、ＸはＳｎおよびＳｂの少なくとも一種以上の元素である。）。

Description

熱電変換材料およびそれを用いた熱電変換モジュール並びに熱電変換材料の製造方法
　実施形態は、熱電変換材料およびそれを用いた熱電変換モジュール並びに熱電変換材料の製造方法に関する。
　近年、地球環境問題に対する意識の高揚から、フロンレス冷却機器であるペルチェ効果を利用した熱電冷却素子に関する関心が高まっている。また、二酸化炭素排出量を削減するために、未利用廃熱エネルギーを使った発電システムを提供する、ゼーベック効果を利用した熱電発電素子に関する関心が高まっている。
　熱電変換材料の性能指数Ｚは、下記式（１）で表される。　Ｚ＝α２／（ρκ）…（１）ここで、αは熱電変換材料のゼーベック係数、ρは熱電変換材料の電気抵抗率、κは熱電変換材料の熱伝導率である。Ｚは温度の逆数の次元を有し、この性能指数Ｚに絶対温度Ｔを乗ずると無次元の値となる。このＺＴ値は無次元性能指数と呼ばれ、高いＺＴ値を持つ熱電変換材料ほど熱電変換効率が大きくなる。上記式（１）からわかるように、熱電変換材料には、より高いゼーベック係数、より低い電気抵抗率、より低い熱伝導率が求められる。
　従来の熱電材変換料はＰｂＴｅ合金が使われていたがＰｂ（鉛）は人体に有害であった。一方、高温まで使用可能であり、有害物質を全く含まないか極力低減した熱電変換材料の一つとして、ＭｇＡｇＡｓ型結晶相を有するハーフホイスラー化合物が注目されている。ハーフホイスラー化合物は、特開２００７−１７３７９９号公報（特許文献１）では所定の組成を具備させることによりＺＴ値の一定の向上はみられるものの、さらに高いＺＴ値が求められていた。
　特開２０１０−１２９６３６号公報（特許文献２）には、Ｔｉモル濃度の異なる結晶を具備させることにより、ＺＴ値を向上させたハーフホイスラー合金が開発されている。
特開２００７−１７３７９９号公報 特開２０１０−１２９６３６号公報
　特許文献２のように、Ｔｉモル濃度の異なる２相以上のＭｇＡｇＡｓ型結晶を具備した熱電変換材料は、一定のＺＴ値の向上が見られる。一方で、熱電変換材料は多結晶体からなるため、Ｔｉモル濃度の異なる２相以上のＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を均一に存在させることが難しかった。Ｔｉモル濃度の異なる２相以上のＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子の存在割合がばらつきがあると、個々の熱電変換材料の特性にばらつきが生じてしまう。そのため、熱電変換材料を複数個並べて熱電変換モジュールを形成したときに、モジュールとしての特性にばらつきが生じるといった問題があった。
　実施形態は、このような問題に対応するためのものであり、ＺＴ値を向上させ、その上で特性のばらつきを低減した熱電変換材料およびそれを用いた熱電変換モジュール並びに熱電変換材料の製造方法を提供することを目的とするものである。
　実施形態の熱電変換材料は、下記組成式（１）で表わされ、ＭｇＡｇＡｓ型結晶構造を有する多結晶体からなる熱電変換材料において、前記多結晶体内にＴｉ濃度の異なる領域を有するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を具備することを特徴とするものである。
　（ＡａＴｉｂ）ｃＤｄＸｅ　　　組成式（１）
（上記組成式（１）中、ｄ＝１としたとき、０．２≦ａ≦０．７、０．３≦ｂ≦０．８、ａ＋ｂ＝１、０．９３≦ｃ≦１．０８、０．９３≦ｅ≦１．０８である。ＡはＺｒ、Ｈｆの少なくとも１種以上の元素、ＤはＮｉ、ＣｏおよびＦｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種以上の元素、ＸはＳｎおよびＳｂの少なくとも一種以上の元素である。）。
　また、熱電変換材料の任意の焼結面をＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）にて一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内を０．２μｍ間隔でＴｉの特性Ｘ線を測定し、横軸にＴｉの特性Ｘ線の強度、縦軸にＴｉの特性Ｘ線強度毎の頻度をプロットした頻度グラフを作成したとき、頻度グラフはピークが２つ以上存在するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を具備することが好ましい。
　また、熱電変換材料の任意の焼結面をＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）にて一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内を０．２μｍ間隔でＴｉの特性Ｘ線を測定し、横軸にＴｉの特性Ｘ線の強度比、縦軸にＴｉの特性Ｘ線強度毎の頻度をプロットした頻度グラフを作成したとき、頻度グラフはピークが２つ以上存在するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を具備し、最も大きなピークとなる頻度Ｋ１と最も小さなピークとなる頻度Ｋ２の比（Ｋ１／Ｋ２）が１．２以上であることが好ましい。
　また、熱電変換材料の任意の焼結面にて測定面積２４０μｍ×８０μｍをＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）にて一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内を０．２μｍ間隔でＴｉの特性Ｘ線を測定し、横軸にＴｉの特性Ｘ線の強度、縦軸にＴｉの特性Ｘ線強度毎の頻度をプロットした頻度グラフを作成したとき、頻度グラフはピークが２つ以上存在するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子が、結晶粒子の個数割合で３０％以上１００％以下であることが好ましい。
　また、熱電変換材料の任意の焼結面にて測定面積２４０μｍ×８０μｍをＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）分析したとき、単位面積あたりの結晶粒子の全数を１とした場合、（００１）面、（１０１）面、（１１１）面のいずれの結晶方位を示す結晶粒子の個数割合が０．５未満であることが好ましい。
　また、平均結晶粒径が２~４０μｍであることが好ましい。また、多結晶体が焼結体であることが好ましい。また、測定面積２４０μｍ×８０μｍあたり、ＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子は面積比で９２％以上であることが好ましい。
　また、実施形態の熱電変換モジュールは、実施形態の熱電変換材料を用いたことを特徴とするものである。
　また、実施形態の第一の熱電変換材料の製造方法は、組成式（１）を満たす原料溶湯を調製する工程と、原料溶湯を冷却速度１００℃／ｓ以下で冷却して原料粉末を調製する工程と、得られた原料粉末を成形する工程と、得られた成形体を焼結する工程、を具備することを特徴とするものである。また、原料粉末を調製する工程が、冷却工程にて作製したインゴットを粉砕処理する工程を具備することが好ましい。
　また、実施形態の第二の熱電変換材料の製造方法は、組成式（１）を満たす原料溶湯を調製する工程と、原料溶湯を１００℃／ｓを超える冷却速度で急冷して原料粉末を調製する工程と、得られた原料粉末に熱処理する工程と、熱処理後の原料粉末を成形する工程と、得られた成形体を焼結する工程、を具備することを特徴とするものである。
　また、実施形態の第三の熱電変換材料の製造方法は、組成式（１）を満たす原料溶湯を調製する工程と、原料溶湯を１００℃／ｓを超える冷却速度で急冷して原料粉末を調製する工程と、得られた原料粉末を成形する工程と、得られた成形体を焼結する工程、得られた焼結体に熱処理を施す熱処理工程を具備することを特徴とするものである。
　また、１００℃／ｓを超える冷却速度で急冷して原料粉末を調製する工程がアトマイズ法であることが好ましい。
　実施形態の熱電変換材料は、ＺＴ値が高く、特性のばらつきが低減している。そのため、熱電変換モジュールの特性も向上する。また、実施形態の熱電変換材料の製造方法であれば、実施形態の熱電変換材料を歩留まり良く製造することができる。
実施形態の熱電変換モジュールの一例を示す図。 実施形態の熱電変換材料の結晶組織の一例を示す図。 Ｔｉの特性Ｘ線の測定方法の一例を示す図。 実施例７の強度比−頻度グラフの一例。 実施例１のＥＢＳＤによる結晶方位マップの一例を示すカラー写真。 比較例３のＥＢＳＤによる結晶方位マップの一例を示すカラー写真。 実施例１１の強度比−頻度グラフ。
　実施形態の熱電変換材料は、下記組成式（１）で表わされ、ＭｇＡｇＡｓ型結晶構造を有する多結晶体からなる熱電変換材料において、ＭｇＡｇＡｓ型結晶構造を有する多結晶体内にＴｉ濃度の異なる領域を有するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を具備することを特徴とするものである。
　（ＡａＴｉｂ）ｃＤｄＸｅ　　　…組成式（１）
（上記組成式（１）中、ｄ＝１としたとき、０．２≦ａ≦０．７、０．３≦ｂ≦０．８、ａ＋ｂ＝１、０．９３≦ｃ≦１．０８、０．９３≦ｅ≦１．０８である。ＡはＺｒ、Ｈｆの少なくとも１種以上の元素、ＤはＮｉ、ＣｏおよびＦｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種以上の元素、ＸはＳｎおよびＳｂの少なくとも一種以上の元素である。）。
　組成式（１）中、Ａ元素はＺｒ（ジルコニウム）、Ｈｆ（ハフニウム）の少なくとも１種以上である。Ａ元素は後述するＴｉ、Ｘ元素と共にＭｇＡｇＡｓ型結晶構造を有する相を主相とするために必要な元素である。また、熱電変換特性を向上させるためにはＺｒとＨｆ両方含有していることが好ましい。ＺｒとＨｆの両方を含有させる場合はＺｒとＨｆの原子比をＺｒ／Ｈｆ原子比＝０．３~０．７の範囲が好ましい。また、コスト低減のためにはＨｆ／Ｚｒ原子比を０．１以下（Ｚｒ／Ｈｆ原子比が０．９以上）にすることが好ましい。
　また、Ｔｉ（チタン）はＺｒやＨｆと比べて価格的に安価であることからＡ元素の一部をＴｉで置き換えると熱変換材料のコストダウンを図ることができる。また、Ｔｉの含有により熱伝導率低減の効果が得られる。
　Ｘ元素は、Ｓｎ（錫）またはＳｂ（アンチモン）の少なくとも一種以上の元素である。また、熱電変換特性を向上させるためにはＳｎとＳｂ両方含有していることが好ましい。
　Ｄ元素は、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｏ（コバルト）、Ｆｅ（鉄）から選ばれる少なくとも１種以上の元素である。Ｄ元素はＭｇＡｇＡｓ型結晶構造の相安定化のために有効な元素である。これらの元素の中ではＮｉやＣｏが好ましく、さらに耐食性も向上する。
　各元素の原子比は、ｄ＝１としたとき、０．２≦ａ≦０．７、０．３≦ｂ≦０．８、ａ＋ｂ＝１、０．９２≦ｃ≦１．０８、０．９２≦ｅ≦１．０８である。この範囲を外れるとＭｇＡｇＡｓ型結晶構造の相安定化が図れず、十分な熱電特性が得られない。なお、組成式（１）は熱電変換材料の試料片０．１ｇ以上の組成を調べた時の平均値である。
　また、Ｎ型熱電変換材料とする場合はＤ元素をＮｉリッチかつＸ元素としてＳｎリッチ組成とし、Ｐ型熱電変換材料とする場合はＤ元素をＣｏリッチかつＸ元素をＳｂリッチとすることが好ましい。
　また、実施形態の熱電変換材料は、ＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を面積比で９２％以上具備していればよい。つまりは、その他の相が８％以下存在していてもよい。また、その他の相は、４ａ族−Ｓｎ相（例えばＴｉ５Ｓｎ３）が８％以下、Ｓｎ相が２％以下、４ａ族酸化物が１％以下、などが挙げられる。また、原料の溶融工程中に、ルツボから混入する成分との反応相が１．５％以下含まれてもよい。ルツボから混入する成分との反応相としては、Ａｌ系ルツボ（アルミナ製）を使った場合のＡｌＮｉ相、ＡｌＣｏ相などＤ元素との反応物が挙げられる。
　また、上記組成式（１）に示した以外の金属不純物は３０００ｗｔｐｐｍ以下，さらには２５００ｗｔｐｐｍ以下であることが好ましい。Ｄ元素にＮｉ及びＣｏよりなる群から選択される少なくとも１種類を用いる場合、金属不純物は主に鉄（Ｆｅ）またはクロム（Ｃｒ）が挙げられる。また、金属不純物の一部または全部はＭｇＡｇＡｓ型結晶格子の中に含まれていてもよい。
　実施形態の熱電変換材料は、組成式（１）で表わされ、ＭｇＡｇＡｓ型結晶構造を有する多結晶体からなる熱電変換材料において、ＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内にＴｉ濃度の異なる領域を有する結晶粒子を具備することを特徴とするものである。これは一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子においてＴｉ濃度の異なる領域が存在している結晶粒子が存在することを意味するものである。実施形態では、結晶粒子内にＴｉ濃度の異なる領域を具備させることにより、ＺＴ値の向上および特性のばらつきを低減させることができるのである。
　結晶粒子内にＴｉ濃度の異なる領域の有無はＥＢＳＤ分析で確認可能である。ＥＢＳＤは後方散乱電子線回折（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　Ｂａｃｋｓｃａｔｔｅｒ　Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ）のことである。ＥＢＳＤは、ＳＥＭ試料室内に傾斜してセットした試料に電子線を照射し、蛍光スクリーンに投影された後方散乱電子線回折パターンをＣＣＤカメラで画像を取り込み、得られた結晶情報を指数付けを行い、結晶方位を測定する方法である。結晶情報としては、空間群、格子定数、原子座標（結晶方位）などが挙げられる。また、結晶情報を画像化する際にカラーマッピング機能を使うと、一つの結晶粒子内に色の異なる領域が存在することが分析できる。一つの結晶粒子内に「色の異なる領域」が存在するということは、組成の異なる相構造が存在することを意味するものである。実施形態の熱電変換材料は、組成式（１）におけるＴｉ量を示すｂ値が０．３≦ｂ≦０．８であることから、組成が異なる相構造はＴｉ濃度が異なる２相以上の相構造であると言える。また、Ｔｉの特性Ｘ線を調べたとき、一つの結晶粒子内にＴｉの特性Ｘ線のピーク強度比が異なる領域が存在するため、この点からも分析可能である。
　なお、ＥＢＳＤの分析は、熱電変換材料の任意の焼結面を表面粗さＲａ５μｍ以下の平坦面に研磨してから行うものとする。また、ＥＢＳＤの分析は、加速電圧２０ｋＶ、倍率１０００倍以上で観察するものとする。また、熱電変換材料の任意の焼結面をＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）にて分析する際に、Ｔｉの特性Ｘ線のピーク強度比を１５以上の領域と１５未満の領域をカラーマッピングすれば、一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内にＴｉ濃度の異なる領域があることが分かる。図２に実施形態の熱電変換材料の結晶組織の一例を示した。図中、７はＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子、８はＴｉ濃度の異なる領域である。例えば、Ｔｉの特性Ｘ線のピーク強度比を１５以上の領域と１５未満の領域をカラーマッピングを行えば、Ｔｉ濃度の高い領域（特性Ｘ線が１５以上の領域）とＴｉ濃度の低い領域（特性Ｘ線が１５未満の領域）を区別することができる。また、カラーマッピングの結果、一つの結晶粒子内に２か所以上のＴｉ濃度の異なる領域８を具備してもよい。
　また、熱電変換材料の任意の断面をＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）にて一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内を０．２μｍ間隔でＴｉの特性Ｘ線を測定し、横軸にＴｉの特性Ｘ線の強度比、縦軸にＴｉの特性Ｘ線強度比毎の頻度をプロットした頻度グラフを作成したとき、頻度グラフはピークが２つ以上存在するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を具備することが好ましい。
　図３にＴｉの特性Ｘ線の測定方法の一例を示した。図中、７はＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子、９はＴｉの特性Ｘ線の測定箇所、である。一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶において、０．２μｍ間隔でＴｉの特性Ｘ線を測定する。それぞれ測定したＴｉの特性Ｘ線の強度比を求める。強度比毎に出現頻度をプロットして頻度グラフを作成する。一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を０．２μｍ間隔で直線的に測定箇所を変えながら測定することにより、結晶粒子内にＴｉ濃度の異なる領域が存在することが分かる。
　また、頻度グラフを作成したとき、ピークが２つ以上存在することが好ましい。図４に実施例７の強度比−頻度グラフの一例を示した。図４は横軸に強度比、縦軸にその強度比の頻度を示したものである。後述する実施例７では、強度比２２．５、強度比２８、強度比３２、強度比３７に４つのピークがある。強度比２２．５のピークをＰ１、強度比２８のピークをＰ２、強度比３２のピークをＰ３、強度比３７のピークをＰ４として図４に示す。
　また、熱電変換材料の任意の焼結面をＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）にて一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内を０．２μｍ間隔でＴｉの特性Ｘ線を測定し、横軸にＴｉの特性Ｘ線の強度比、縦軸にＴｉの特性Ｘ線強度毎の頻度をプロットした頻度グラフを作成したとき、頻度グラフはピークが２つ以上存在するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を具備し、最も大きなピークとなる頻度Ｋ１と最も小さなピークとなる頻度Ｋ２の比（Ｋ１／Ｋ２）が１．２以上であることが好ましい。例えば、図４では、最も高いピークＰ１の強度比は２２．５であり頻度Ｋ１＝１０７０、最も低い強度比は３７であり、頻度Ｋ２＝２８３となり、Ｋ１／Ｋ２＝１０７０／２８３＝３．７８となる。
　（Ｋ１／Ｋ２）比が１．２以上であるということは、一つの結晶粒子内のＴｉ濃度差が大きくなっていることを意味するものである。ピークが２つ以上存在し、そのピーク比が１．２以上であるということは、一つの結晶粒子内にＴｉリッチ領域とＴｉプアー領域が存在することを意味する。また、ピークとなることにより、Ｔｉリッチ領域の組成はそれぞれＴｉ量の同じ組成であり、Ｔｉプアー領域の組成もＴｉ量が同じ組成になる。このようなＴｉ分布とすることにより、一つの結晶粒子内にＴｉ濃度が異なる領域を具備させつつ、Ｔｉリッチ領域のばらつきを低減させ、Ｔｉプアー領域の組成のばらつきを低減させることができるので特性の安定化に効果がある。
　また、Ｋ１／Ｋ２が１．２以上であるということは、一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶内にＴｉ濃度の濃い領域が多いことを示す。Ｔｉ濃度の濃い領域が多いと、熱伝導率が３．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下、さらには２．０Ｗ／ｍ・Ｋ以下と低熱伝導化できるので好ましい。
　また、ピークが２以上ある頻度グラフにおいて、頻度の最大値と最小値の差が１０以上、さらには１５以上であることが好ましい。「最大値−最小値≧１０」であるということは、頻度グラフが幅の広いブロードなグラフであることを意味する。ブロードなグラフであるということは、ＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内のＴｉ濃度の差が大きいことを示す。結晶粒子内でのＴｉ濃度差が大きければ、特性向上の効果をより得易くなる。
　また、熱電変換材料の任意の焼結面にて、測定面積２４０μｍ×８０μｍをＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）で、一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内を０．２μｍ間隔でＴｉの特性Ｘ線を測定し、横軸にＴｉの特性Ｘ線の強度、縦軸にＴｉの特性Ｘ線強度毎の頻度をプロットした頻度グラフを作成したとき、頻度グラフはピークが２つ以上存在するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子が、結晶粒子の個数割合で３０％以上１００％以下であることが好ましい。
　前述のようなＴｉ濃度の異なる領域を持つＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子は、単位面積あたり３０％以上１００％以下存在することにより、単位面積当たりの組織ばらつきを低減し、特性の向上を得ることができる。単位面積あたりの個数割合が３０％未満と少ないとＴｉ濃度の異なる領域を持つＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子の存在割合が少ないので特性のばらつきを発生する恐れがある。特に、多結晶体であるために結晶組織として、所定の割合でＴｉ濃度の異なる領域を持つＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子が存在することが好ましい。そのため、Ｔｉ濃度の異なる領域を持つＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子は、単位面積あたり３０％以上１００％以下、さらには５０％以上１００％以下が好ましい。
　また、単位面積当たりのＴｉ濃度の異なる領域を持つＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子の個数の測定方法は、面積２４０μｍ×８０μｍ中に存在する結晶粒子の全体個数と、Ｔｉ濃度の異なる結晶粒子の個数をカウントする。個数割合＝（Ｔｉ濃度の異なる結晶粒子の個数／全体個数）×１００％にて求めるものとする。この作業を測定面積（２４０μｍ×８０μｍ）３か所について行い、個数割合とする。個数割合の測定には、Ｔｉ濃度を特性Ｘ線の強度比１５以上の領域と１５未満の領域と分けるカラーマッピングを行えばよい。なお、カラーマッピングを行う際は、Ｔｉの特性Ｘ線の強度比を２０以上と２０未満など任意の強度比で行えばよい。
　前述のように、Ｔｉ濃度の頻度グラフにおいてピークが２以上あるものが好ましい。同様の特性を得る方法として、熱電変換材料の任意の断面をＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）にて一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内を０．２μｍ間隔でＴｉの特性Ｘ線を測定し、横軸にＴｉの特性Ｘ線の強度比、縦軸にＴｉの特性Ｘ線強度毎の頻度をプロットした頻度グラフを作成したとき、頻度グラフはピークが１つであり、ピークを示す頻度に対し、頻度グラブの下限値はピークを示す頻度から−５以下かつ頻度グラフの上限値は、ピークを示す頻度から＋５以上であることが挙げられる。また、頻度グラフの上限値から下限値を引いた値が１５以上、さらには２０以上であることが好ましい。
　頻度グラフのピークが１つであったとしても、ピークを示す頻度に対し下限値が−５以下、上限値が＋５以上、つまりは「上限値−下限値≧１０」であれば、ＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内のＴｉ濃度差が大きくなるため頻度グラフにピークが２以上あるものと同様の効果が得られる。また、ＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内のＴｉ濃度差を大きくするために、頻度グラフの上限値から下限値を引いた値が１５以上、さらには２０以上であることが好ましい。
　また、前述の頻度グラフにピークが２以上あるもの、ピークが１つであるが「上限値−下限値≧１０」のいずれもＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内のＴｉ濃度差を大きくしたものである。Ｔｉ濃度差をつけた場合、Ａ元素であるＺｒおよびＨｆはＴｉ濃度に応じて濃度が低下する。また、Ｄ元素であるＮｉまたはＣｏは大きな濃度変化は生じない。また、Ｘ元素であるＳｎまたはＳｂはＴｉ濃度に応じて濃度が高くなる。つまり、Ｔｉリッチな領域はＳｎリッチな領域、Ｔｉプアな領域はＳｎプアな領域となる。この理由は、ＴｉＣｏＳｂ、ＴｉＣｏＳｎ，ＺｒＣｏＳｂ、ＺｒＣｏＳｎ，の格子定数をＡｓＴＭカードで比較すると、前３者は立方晶構造（ハーフホイスラー相）であり、それぞれａ＝５．８８４Å、６．００９Å、６．０７０Åであり、一方ＺｒＣｏＳｎは六方晶（ａ＝７．１４２Å、ｃ＝３．５８３Å）である。従って、立方晶構造の安定領域範囲の格子定数の場合、ＴｉＣｏＳｎ相とＺｒＣｏＳｂ相の格子定数が比較的近く、金属組織内での歪低減の点から、この２相すなわちＴｉリッチ相ではＳｎリッチ、Ｔｉプア相ではＳｎプアとなることが考えられる。ＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内のＴｉ濃度差を付けることにより、組成式（１）に示した構成元素に関して、それぞれ濃度差が発生する。このような濃度差が発生することもＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子の熱伝導率を下げることができる。
　また、熱電変換材料の任意の断面にて単位面積２４０μｍ×８０μｍをＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）分析したとき、単位面積あたりの結晶粒子の全数を１とした場合、（００１）面、（１０１）面、（１１１）面のいずれの結晶方位を示す結晶粒子の個数割合が０．５未満であることが好ましい。単位面積あたりの結晶粒子の全数を１とした場合、（００１）面、（１０１）面、（１１１）面のいずれの結晶方位を示す結晶粒子の個数割合が０．５未満であるとうことは、特定の結晶方位に配向した結晶組織ではなく、ランダム配向した結晶組織であることを示す。ランダム配向である方が組織の均一化がはかれ特性が安定化する。
　また、平均結晶粒径が２~４０μｍであることが好ましい。平均結晶粒径が２μｍ未満では結晶粒子が小さすぎて一つの結晶粒子内にＴｉ濃度の異なる領域を有する結晶粒子を形成し難くなる。また、平均結晶粒径が４０μｍを超えて大きいと、結晶組織のばらつきが大きくなる恐れがある。そのため、平均結晶粒径は２~４０μｍ、さらには５~２０μｍが好ましい。なお、平均結晶粒径の測定方法は、面積２４０μｍ×８０μｍをＥＢＳＤ分析したときの組織写真を用い、個々の結晶粒子の最も長い対角線を粒径とする。この作業を５０粒行い、その平均値を平均結晶粒径とする。また、評価する面積２４０μｍ×８０μｍで５０粒に到達しないときは、５０粒に到達するまで追加分析を行うものとする。
　また、多結晶体が焼結体であることが好ましい。後述するように焼結体であれば、歩留まり良く製造することができる。
　次に熱電変換モジュールについて説明する。図１に熱電変換モジュールの一例を示した。図１中、１はＰ型熱電変換材料、２はＮ型熱電変換材料、３ａおよび３ｂは電極、４ａおよび４ｂは絶縁基板、５はホール、６は電子、である。Ｐ型熱電変換材料１およびＮ型熱電変換材料２の下面は、下側の絶縁基板４ｂに支持された電極３によって接続されている。Ｐ型熱電変換材料１およびＮ型熱電変換材料２のそれぞれの上面には、電極３ｂ、３ｂが配置され、その外側に上側の絶縁基板４ａが設けられている。Ｐ型熱電変換材料１とＮ型熱電変換材料２はペアで配置され、Ｐ型とＮ型の熱電変換材料が交互に複数個配置された構造となっている。
　熱電モジュールの熱電変換材料のうちＮ型もしくはＰ型のいずれか一方または両方に実施形態の熱電変換材料を用いるものとする。Ｎ型またはＰ型のいずれか一方のみに実施形態の熱電変換材料を用いる場合、他方には、Ｂｉ−Ｔｅ系、Ｐｂ−Ｔｅ系などの材料を用いてもよい。なお、熱電モジュールの特性やＰｂの有害性を考慮するとＰ型、Ｎ型の両方に実施形態の熱電変換材料を用いることが好ましい。
　また、絶縁基板（４ａ、４ｂ）には、セラミックス基板、例えば３点曲げ強度７００ＭＰａ以上の窒化珪素基板が好ましい。窒化珪素基板を用いることにより熱電モジュールの耐熱性を向上させることができる。また、電極（３ａ，３ｂ，３）は、銅板、アルミニウム板など導電性の良いものが好ましい。また、電極と熱電変換材料との接合には高温ろう材を用いることが好ましい。高温ろう材は、融点が６００~９００℃の範囲であることが好ましい。また、必要に応じ、接合面に金属メッキ処理を施してもよい。
　実施形態の熱電変換材料は高温側が３００~５００℃の高温領域であっても使用可能である。例えば、５００℃の高温環境下で使う場合、ろう材の融点が６００℃以上でないとろう材が溶けてしまいモジュールが破損する。
　次に、熱電変換モジュールの原理を説明する。下側の絶縁基板４ｂを低温に、上側の絶縁基板４ａを高温にするように温度差を与える。この場合、Ｐ型熱電変換材料１の内部では正の電荷を持ったホール５が高温側（上側）に移動する。一方、Ｎ型熱電変換材料２の内部では負の電荷を持った電子６が高温側（上側）に移動する。その結果、Ｐ型熱電変換材料１上部の電極３ａとＮ型熱電変換材料２上部の電極３ｂとの間に電位差が生じる。この現象を利用して、熱を電気に変換したり、電気を熱に変換したりすることができる。
　また、前述のろう材や窒化珪素基板を使うことにより、耐熱特性が上がり、５００℃近い高温環境や、低温側と高温側の温度差が１００℃以上あるような負荷の高い環境でも優れた特性を示すことができる。
　また、図１では、ｐ型とｎ型の一対のモジュール構造を例示したが、ｐ型とｎ型の一対の組合せを複数個並べて大型してもよい。実施形態の熱電変換材料は特性の向上と、特性ばらつきを低減してあるので、熱電変換モジュールの特性安定化に有効である。
　次に、実施形態の熱電変換材料の製造方法について説明する。実施形態の熱電変換材料の製造方法は特に限定されるものではないが、効率よく得る方法として次の製造方法が挙げられる。
　また、実施形態の第一の熱電変換材料の製造方法は、組成式（１）を満たす原料溶湯を調製する工程と、原料溶湯を冷却速度１００℃／ｓ以下で冷却して原料粉末を調製する工程と、得られた原料粉末を成形する工程と、得られた成形体を焼結する工程、を具備することを特徴とするものである。
　まず、組成式（１）を満たす原料溶湯を調製する工程を行う。原料溶湯を調製する工程では、Ａ元素、Ｔｉ、Ｄ元素、Ｘ元素を目的とする組成式（１）になるように混合し、溶解して原料溶湯を調製する。原料粉末の溶湯を作製する場合は、アーク溶解や高周波溶解などの溶解法が好ましい。また、溶融するルツボはアルミナ、マグネシア、カルシアであることが好ましい。ルツボで原料を溶融していると、不純物としてルツボを構成する成分が混入する場合がある。前述のように不純物Ａｌが混入したとしても、ＮｉやＣｏなどのＤ元素と反応するため不純物混入の影響を低下させることができる。
　原料溶湯を冷却速度１００℃／ｓ以下で冷却して原料粉末を調製する工程を行う。原料溶湯は、通常１５００℃以上の高温になる。ルツボから金型に流し込むと、通常、５００℃／ｓ以上の急冷状態となる。第一の製造方法では、この冷却工程を１００℃／ｓ以下と比較的ゆっくり冷やすことが必要である。冷却速度を１００℃／ｓ以下とすると金型中での原料溶湯の冷え方に差がでるため、Ｔｉ濃度の異なる領域のあるＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子が形成され易い。また、冷却速度を１００℃／ｓ以下にする方法としては、金型を予熱しておく方法などが挙げられる。
　また、原料粉末を調製する工程が、冷却工程にて作製したインゴットを粉砕処理する工程を具備することが好ましい。前述のように金型に投入された原料溶湯は冷却されてインゴットとなる。粉砕工程は、ジェットミル、ハンマーミル、ピンミルなどが挙げられる。例えば、平均粒径１０μｍ以下に粉砕する場合はジェットミルで、１０μｍを超える場合はハンマーミル、あるいはピンミルなどを用いればよい。また、これらの粉砕方法を組み合わせてもよい。また、粉砕工程は、不活性雰囲気中で行う事が望ましい。また、原料粉末の平均粒径を１μｍ以上６０μｍ以下とすることが好ましい。原料粉末の調製を行うことにより、成形性、焼結性が良くなる。
　次に、得られた原料粉末を成形する工程を行う。成形工程は、金型成形やシート成形などが挙げられる。また、成型工程では必要に応じＰＶＡなど有機バインダを用いるものとする。
　また、成形体のサイズは、実際の熱電変換材料よりも大型化してもよいし、実際の熱電変換材料に近いニアネットシェイプ成形体であってもよい。
　次に、得られた成形体を焼結する工程を行う。焼結方法は、常圧焼結、雰囲気加圧焼結法、ホットプレス法、ＳＰＳ（放電プラズマ焼結）法、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）法などが挙げられる。ホットプレス法では成形と焼結を同じ金型で行う方法あってもよい。また、焼結工程は焼結体の酸化防止という観点から、例えばＡｒなどの不活性雰囲気中で行うことが好ましい。
　また、焼結温度は９５０℃以上１６００℃以下、焼結時間が０．５ｈ以上５０ｈ以下、焼結圧力は常圧以上２００ＭＰａ以下であることが好ましい。
　また、得られた焼結体の密度は相対密度９８％以上となるように焼結することが好ましい。なお、焼結体密度は（アルキメデス法による実測値／理論密度）×１００％により求めることができる。
　なお、焼結体から熱電変換材料（熱電素子）を切断加工で切り出す場合は、きりしろが多くなり、材料の利用効率が低下する。このため、ニアネットシェイププロセスを適用し、ほぼ素子形状に近い寸法に成形し、焼結することが好ましい。また、常圧焼結で若干焼結密度が不足の場合、ＨＩＰ処理により高密度化することもできる。
　また、焼結体形状は、円柱形状、直方体形状など様々な形状が適用できる。また、焼結体は必要に応じ、表面研磨加工を施してもよい。また、焼結体を切断加工して複数の熱電変換材料を切り出す多数個取りを行ってもよい。
　また、熱電モジュールに搭載する際の熱電変換材料の寸法としては、例えば、外径０．５~１０ｍｍ、厚み１~３０ｍｍの円柱状や、０．５~１０ｍｍ角で厚み１~３０ｍｍの直方体状などが挙げられる。
　また、この後加工品の寸法精度を上げるために、機械研磨などの方法により公差を小さくすることができる。さらに、加工後の試料に対して、４面に高耐熱の絶縁コーティング、２面にメッキあるいは蒸着により、Ｎｉ、Ｎｉ／ＡｕあるいはＴｉ／Ｎｉ／Ａｕなどの表面処理を行う事ができる。その厚さは、トータルで１~２０μｍあればよい。これは、ろう接合時の濡れ性向上による接合部の高信頼性、さらには材料の拡散を防ぐバリア層としての効果がある。
　次に、第二の製造方法について説明する。第二の製造方法は、組成式（１）を満たす原料溶湯を調製する工程と、原料溶湯を１００℃／ｓを超える冷却速度で急冷して原料粉末を調製する工程と、得られた原料粉末に熱処理する工程と、熱処理後の原料粉末を成形する工程と、得られた成形体を焼結する工程、を具備することを特徴とするものである。
　原料溶湯を調製する工程は第一の製造方法と同じため省略する。第二の製造方法では、原料溶湯を１００℃／ｓを超える冷却速度で急冷して原料粉末を調製する工程を行う。そして、得られた原料粉末に熱処理する工程を行うものである。
　１００℃／ｓを超える冷却速度で急冷する工程としては単ロール法、双ロール法、回転ディスク法、ガスアトマイズ法などが挙げられる。溶湯の投入量、ロールやディスクの回転速度、ガスの噴射量を調整することにより、得られる原料粉末の粒径を制御できるので好ましい。また、ガスアトマイズ法は粉砕時の不純物混入を防ぐことができる。
　１００℃／ｓを超える冷却速度で急冷する工程で原料粉末を調製した場合、第一の製造方法とは異なり、粉末段階ではＴｉ濃度の異なる領域を有するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子が形成され難い。そのため、原料粉末に熱処理を施すことが好ましい。熱処理条件は、８００~１５００℃で１~１０００時間、不活性雰囲気中で熱処理することが好ましい。１００℃／ｓを超える冷却速度で調整された原料粉末であったとしても、熱処理を施すことによりＴｉ濃度の異なる領域を有するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を形成することができる。
　以後の、成型工程、焼結工程は第一の製造方法と同じである。
　次に第三の製造方法について説明する。実施形態の第三の熱電変換材料の製造方法は、組成式（１）を満たす原料溶湯を調製する工程と、原料溶湯を１００℃／ｓを超える冷却速度で急冷して原料粉末を調製する工程と、得られた原料粉末を成形する工程と、得られた成形体を焼結する工程、得られた焼結体に熱処理を施す熱処理工程を具備することを特徴とするものである。
　原料溶融を調製する工程は第一の製造方法と同じである。また、原料溶湯を１００℃／ｓを超える冷却速度で急冷して原料粉末を調製する工程は第二の製造方法と同じである。また、成型工程および焼結工程は第一の製造方法と同じである。
　第三の製造方法では、焼結体を得た後、熱処理を施すことを特徴とするものである。この熱処理は、８００~１６００℃で１~１０００時間、不活性雰囲気中で熱処理することが好ましい。焼結体に熱処理を施しても、Ｔｉ濃度の異なる領域を有するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を形成することができる。また、この熱処理は、大型の焼結体から最終の形状となる熱電変換材料を切り出してから熱処理を施してもよい。最終形状の熱電変換材料（熱電素子）にしてから熱処理を施した方が、焼結体へ均一に熱が通り、Ｔｉ濃度の異なる領域を有するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を形成することができる。この点からすると、ニアネットシェイプを行い、焼結体を予め最終形状の熱電変換材料（熱電素子）に近い形状とする方法も有効である。
　上記第一、第二、第三の製造方法は、Ｔｉ濃度の頻度グラフが２つ以上のピークを有する熱電変換材料を製造するのに好適なものである。
　以上のような第一の製造方法、第二の製造方法、第三の製造方法であれば、歩留まり良く実施形態の熱電変換材料を製造することができる。また、第一の製造方法、第二の製造方法、第三の製造方法共に、組成式（１）を満たす２種以上の原料粉末を混合して用いる方法も有効である。特に、Ｔｉ量の異なる２種以上の原料粉末を用いることにより、Ｔｉ濃度の差を付与し易い。
　また、第四の製造方法は、Ｔｉ濃度の頻度グラフが１つのピークを有し、ピークを示す頻度に対し、下限値が−５以下、上限値が＋５以上となる熱電変換材料を製造するのに好適な製法である。
　第四の製造方法は、まず、組成式（１）を満たす原料溶湯を調製する工程を行う。原料溶湯を調製する工程では、Ａ元素、Ｔｉ、Ｄ元素、Ｘ元素を目的とする組成式（１）になるように混合し、溶解して原料溶湯を調製する。原料粉末の溶湯を作製する場合は、アーク溶解や高周波溶解などの溶解法が好ましい。また、溶融するルツボはアルミナ、マグネシア、カルシアであることが好ましい。ルツボで原料を溶融していると、不純物としてルツボを構成する成分が混入する場合がある。前述のように不純物Ａｌが混入したとしても、ＮｉやＣｏなどのＤ元素と反応するため不純物混入の影響を低下させることができる。
　次に、原料溶湯を冷却して原料粉末を調製する。このときの冷却速度は１００℃／ｓを超えてよい。具体的は、通常の炉冷（５００℃／ｓ）が挙げられる。また、冷却工程は、原料溶湯を金型に入れて行い原料インゴットを調製する。得られた原料インゴットを粉砕して原料粉末を得るものとする。粉砕工程は、ジェットミル、ハンマーミル、ピンミルなどが挙げられる。例えば、平均粒径１０μｍ以下に粉砕する場合はジェットミルで、１０μｍを超える場合はハンマーミル、あるいはピンミルなどを用いればよい。また、これらの粉砕方法を組み合わせてもよい。また、粉砕工程は、不活性雰囲気中で行う事が望ましい。また、原料粉末の平均粒径を１μｍ以上６０μｍ以下とすることが好ましい。原料粉末の調製を行うことにより、成形性、焼結性が良くなる。
　次に、得られた原料粉末を成形する工程を行う。成形工程は、金型成形やシート成形などが挙げられる。また、成型工程では必要に応じＰＶＡなど有機バインダを用いるものとする。
　また、成形体のサイズは、実際の熱電変換材料よりも大型化してもよいし、実際の熱電変換材料に近いニアネットシェイプ成形体であってもよい。
　次に、得られた成形体を焼結する工程を行う。焼結方法は、常圧焼結、雰囲気加圧焼結法、ホットプレス法、ＳＰＳ（放電プラズマ焼結）法、ＨＩＰ（熱間静水圧プレス）法などが挙げられる。ホットプレス法では成形と焼結を同じ金型で行う方法あってもよい。また、焼結工程は焼結体の酸化防止という観点から、例えばＡｒなどの不活性雰囲気中で行うことが好ましい。
　また、焼結温度は９５０℃以上１６００℃以下、焼結時間が０．５ｈ以上５０ｈ以下、焼結圧力は常圧以上２００ＭＰａ以下であることが好ましい。また、焼結工程後の冷却速度を１００℃／ｓ以下にすることが好ましい。焼結工程後の冷却速度を１００℃／ｓ以下とゆっくり冷却することにより、ＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内のＴｉ濃度が均一であったものが焼結工程の熱で濃度分布が変化し、変化した状態で安定となる。この工程を行うことにより、Ｔｉの頻度グラフはピーク１つであるが幅の広いブロードなものとすることができる。また、冷却工程は焼結工程毎に行うものとする。例えば、常圧焼結とＨＩＰ焼結を組合せる場合、常圧焼結後の冷却速度を１００℃／ｓ以下およびＨＩＰ焼結後の冷却速度を１００℃／ｓ以下にするものとする。
　また、いずれの製造方法であったとしても、得られた焼結体の密度は相対密度９８％以上となるように焼結することが好ましい。なお、焼結体密度は（アルキメデス法による実測値／理論密度）×１００％により求めることができる。
　なお、焼結体から熱電変換材料（熱電素子）を切断加工で切り出す場合は、きりしろが多くなり、材料の利用効率が低下する。このため、ニアネットシェイププロセスを適用し、ほぼ素子形状に近い寸法に成形し、焼結することが好ましい。また、常圧焼結で若干焼結密度が不足の場合、ＨＩＰ処理により高密度化することもできる。
（実施例１~２）
　アルミナルツボを用いて高周波加熱で原料溶湯を調製した。次に、予め加熱した金型に投入し、冷却速度１００℃／ｓ以下で冷却してインゴットを調製した。実施例１および実施例２は冷却速度２０℃／ｓとした。得られたインゴットをハンマーミル法にて粉砕し、平均粒径２０μｍの原料粉末を得た。その後、ＨＩＰ焼結（１２３０℃×４時間×１００ＭＰａ）を行って大型焼結体を作製した。次に、大型焼結体から、縦２ｍｍ×横２ｍｍ×高さ４ｍｍの熱電変換材料を１００個切り出した。熱電変換材料の組成は表１に示した通りである。また、いずれも焼結体の相対密度は９９％以上あった。また、いずれも金属不純物の含有量は５００~１０００ｗｔｐｐｍの範囲であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 （実施例３~４）
　アルミナルツボを用いて高周波加熱で原料溶湯を調製後、ガスアトマイズ法を用いて、１００℃／ｓを超える冷却速度にて原料粉末を作製した。実施例３および実施例４の冷却速度は１０００℃／ｓとした。得られた原料粉末は平均粒径３０μｍであった。この原料粉末に対し、Ａｒ雰囲気中で１２００℃×３０時間の熱処理を施した。
　次に、ＰＶＡを１ｗｔ％混合し、金型を使ったニアネットシェイプ法により、成形体を調製した。成形体に対して、Ａｒ雰囲気中で１５５０℃×２０時間の条件で焼結を行った。その後、ＨＩＰ焼結（１２００℃×２時間×１２０ＭＰａ）を行って、縦２ｍｍ×横２ｍｍ×高さ４ｍｍの熱電変換材料を１００個作製した。熱電変換材料の組成は表２に示した通りである。また、いずれも焼結体の相対密度は９９％以上あった。また、いずれも金属不純物の含有量は２００~７００ｗｔｐｐｍの範囲であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 （実施例５~６）
　マグネシアルツボを用いて高周波加熱で原料溶湯を調製後、ガスアトマイズ法を用いて、１００℃／ｓを超える冷却速度にて原料粉末を作製した。実施例５および実施例６の冷却速度は５００℃／ｓとした。得られた原料粉末は平均粒径３５μｍであった。
その後、ＨＩＰ焼結（１１５０℃×５時間×１５０ＭＰａ）を行って大型焼結体を作製した。次に、大型焼結体から、縦２ｍｍ×横２ｍｍ×高さ４ｍｍの熱電変換材料を１００個切り出した。次に、Ａｒ雰囲気中で１２００℃×１００時間の熱処理を施した。熱電変換材料の組成は表３に示した通りである。また、いずれも焼結体の相対密度は９９％以上あった。また、いずれも金属不純物の含有量は２００~７００ｗｔｐｐｍの範囲であった。
（実施例７~８）
　アルミナルツボを用いて高周波加熱で原料溶湯を調製した。次に、予め加熱した金型に投入し、冷却速度１００℃／ｓ以下で冷却して表４に示す組成のインゴットを調製した。実施例７は冷却速度１００℃／ｓ、実施例８は冷却速度８０℃／ｓとした。得られたインゴットをハンマーミル法にて粉砕し、それぞれ平均粒径２０μｍの原料粉末を得た。実施例７では原料１と原料２を重量比１：１の割合でボールミルを用いて混合し、焼結体用粉末とした。また、実施例８では原料３と原料４を重量比１：１の割合でボールミルを用いて混合し、焼結体用粉末とした。
　その後、ＨＩＰ焼結（１２３０℃×４時間×１００ＭＰａ）を行って大型焼結体を作製した。次に、大型焼結体から、縦２ｍｍ×横２ｍｍ×高さ４ｍｍの熱電変換材料を１００個切り出した。熱電変換材料の組成は表４に示した通りである。また、いずれも焼結体の相対密度は９９％以上あった。また、いずれも金属不純物の含有量は５００~１３００ｗｔｐｐｍの範囲であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
 （実施例９~１０）
　アルミナルツボを用いて高周波加熱で原料溶湯を調製した。次に、予め加熱した金型に投入し、冷却速度１００℃／ｓ以下で冷却してインゴットを調製した。実施例９は冷却速度２０℃／ｓ、実施例１０は冷却速度５℃／ｓとした。こののち、１２００℃で１０時間、Ａｒ雰囲気下で熱処理を行った。得られたインゴットをハンマーミル法にて粉砕し、実施例９は平均粒径２５μｍ、実施例１０は平均粒径４２μｍの原料粉末を得た。その後、ＨＩＰ焼結（１２００℃×１０時間×１００ＭＰａ）を行って大型焼結体を作製した。次に、大型焼結体から、縦２ｍｍ×横２ｍｍ×高さ４ｍｍの熱電変換材料を１００個切り出した。熱電変換材料の組成は表５に示した通りである。また、いずれも焼結体の相対密度は９９％以上あった。また、いずれも金属不純物の含有量は７００~１５００ｗｔｐｐｍの範囲であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
 （比較例１~２）
　アルミナルツボを用いて原料溶湯を調製した。次に、予め加熱しない金型に投入し、冷却速度５００℃以上の急冷処理してインゴットを調製した。比較例１および比較例２は冷却速度６００℃／ｓとした。得られたインゴットをハンマーミルを用いて粉砕し、平均粒径２０μｍの原料粉末を得た。その後、ＨＩＰ焼結（１２５０℃×３．５時間×１００ＭＰａ）を行って大型焼結体を作製した。次に、大型焼結体から、縦２ｍｍ×横２ｍｍ×高さ４ｍｍの熱電変換材料を１００個切り出した。熱電変換材料の組成は表６に示した通りである。また、いずれも金属不純物の含有量は８００~１７００ｗｔｐｐｍの範囲であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
 （比較例３~４）
　アルミナルツボを用いて高周波加熱により原料溶湯を調整後、ガスアトマイズ法を用いて表７に示した原料５~８に係る原料粉末を得た。原料５は平均粒径３４μｍ、原料６は平均粒径３７μｍ、原料７は平均粒径３８μｍ、原料８は平均粒径４０μｍとした。なお、比較例３および比較例４の冷却速度は１０００℃／ｓとした。
　次に、原料５と原料６の質量比を焼結体組成になるように秤量し、ボールミルを用いて混合した。混合した粉末をＡｒ雰囲気中で１２００℃×３時間×４０ＭＰａにてホットプレスした。また、ホットプレス後の冷却速度は炉冷（６００℃／ｓ）とした。この作業により比較例３に係るＰ型熱電変換材料を調製した。
　また、原料７と原料８の質量比を焼結体の組成になるように秤量し、ボールミルを用いて混合した。混合した粉末をＡｒ雰囲気中で１３００℃×１時間×４０ＭＰａにてホットプレスした。また、ホットプレス後の冷却速度は炉冷（６００℃／ｓ）とした。この作業により比較例４に係るＮ型熱電変換材料を調製した。
　なお、比較例３は特許文献２（特開２０１０−１２９６３６号公報）の実施例６、比較例４は実施例１に相当するものである。また、いずれも金属不純物の含有量は５００~１８００ｗｔｐｐｍの範囲であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
 　実施例１~１０および比較例１~４に係る熱電変換材料に関して、任意の断面に対してＥＢＳＤ分析を行った。ＥＢＳＤ分析により、結晶方位、Ｔｉの特性Ｘ線の頻度グラフを求めた。ＥＢＳＤ分析には、熱電界放射型走査電子顕微鏡（ＴＦＥ−ＳＥＭ）としてＪＳＭ−６５００Ｆ（日本電子製）、エネルギー分散法Ｘ線分析計（ＥＤＳ）はＧｅｎｅｓｉｓ−Ｓ−ＵＴＷ（ＥＤＡＸ製）を用いた。また、分析条件は加速電圧２０．０ｋＶ、照射電流８．７ｎＡ、試料傾斜７０ｄｅｇで行った。また、各試料は焼結体表面を表面粗さＲａ１μｍ以下の平坦面に加工した。
　Ｔｉの特性Ｘ線の頻度グラフは、一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子において０．２μｍ間隔でＴｉの特性Ｘ線を測定し、横軸にＴｉの特性Ｘ線の強度比、縦軸にＴｉの特性Ｘ線強度毎の頻度をプロットした頻度グラフを作成した。この作業を測定面積２４０μｍ×８０μｍに対して行い、ピークが２つ以上存在するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子の個数割合を求めた。同様に、面積２４０μｍ×８０μｍを用いて平均結晶粒径、ＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子の面積比を求めた。
その結果を表８に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000008
 　なお、いずれの実施例および比較例も結晶方位は、（００１）面、（１０１）面、（１１１）面ともに０．５未満でありランダム配向であった。また、単位面積２４０μｍ×８０μｍに対し、Ｔｉの特性Ｘ線の強度比を１５以上と１５未満の領域でカラーマッピングした結果、頻度グラフはピークが２つ以上存在するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子の個数割合は表８の結果と一致した。
　また、図４に実施例７の頻度グラフを示した。図５に実施例１のＥＢＳＤによる結晶方位マップ（カラーマッピング）、図６に比較例３のＥＢＳＤによる結晶方位マップ（カラーマッピング）を示した。図５および図６はＴｉの特性Ｘ線の強度比を１５以上と１５未満の領域でカラーマッピングした結果である。図５に示すカラー写真において、赤、青、緑色はそれぞれの結晶粒子が（００１）、（１１１）、（１０１）方向の配向を意味し、中間色はそれぞれの中間方向の配向を表わしている。また、１個の結晶粒子内に白色部が見られるのは、例えばＴｉの強度を１５以上としたときに、それ以下の強度の部分が白色になる。すなわち、一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内に存在する白色領域がＴｉの強度比が異なる領域となる。図５では、ほとんどのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内に白色領域が存在している。一方、図６のカラー写真に示す通り、ＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子１個ずつが、赤、ピンク、青色、水色、緑色等の様々な色で区分けされている。図６には、全体が白色に見える結晶粒子が存在するものの、ＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内には白色領域は存在していない。このため、比較例３にはＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内にＴｉ濃度の異なる領域がないことが分かる。
　また、実施例７においてＳｎ濃度の頻度グラフを測定したところ、図４のＴｉ濃度グラフと同様の挙動を示した。つまり、Ｔｉ濃度が濃いところはＳｎ濃度も濃くなっていた。逆にＴｉ濃度が薄いところは、Ｓｎ濃度も薄くなっていた。このような傾向は他の実施例でも同様であった。
　次に、各実施例および比較例の熱電変換材料に対してＺＴ値を測定した。ＺＴ値の測定はアルバック理工製ＺＥＭ−３により電気抵抗とゼーベック係数を、熱伝導率は、熱拡散率をＡｒ雰囲気中レーザーフラッシュ法、比熱をＤＳＣ法、密度をアルキメデス法でそれぞれ測定し、算出した。また、それぞれ作製した１００個に対して測定を行い、平均値、最大値、最小値を示した。その結果を表９に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000009
 　表から分かる通り、実施例に係る熱電変換材料はＺＴ値の平均値が高く、そのばらつきも小さかった。つまり、特性を安定させる効果があることが分かった。そのため、実施例に係る熱電変換材料を用いた熱電変換モジュールは特性が安定する。特に、Ｐ型とＮ型のペアを１セットとし、５０セット以上の大型の熱電変換モジュールに有効である。
（実施例１１~１４）
　アルミナルツボを用いて高周波加熱で原料溶湯を調製した。次に、水冷金型に投入し、冷却速度５００℃／ｓ以上の速度で冷却してインゴットを調製した。実施例１１~１２は冷却速度５００℃／ｓ、実施例１３~１４は６００℃／ｓとした。
　なお、実施例１１~１２の合金は、８００℃×２０時間、Ａｒ雰囲気中で熱処理した。得られたインゴットをハンマーミル法にて粉砕し、実施例１１~１４は平均粒径４０μｍの原料粉末を得た。
　次に、ＰＶＡを５ｗｔ％混合し、金型を使ったニアネットシェイプ法により、成形体を調製した。成形体に対して、Ａｒ雰囲気中で１３００℃で３時間の条件で焼結を行った。また、焼結後の冷却速度を実施例１１および実施例１２は冷却速度４０℃／ｓ、実施例１３および実施例１４は冷却速度７０℃／ｓとした。
　その後、ＨＩＰ焼結（１２３０℃×３時間×１２０ＭＰａ）を行って、縦２ｍｍ×横２ｍｍ×高さ４ｍｍの熱電変換材料を１００個作製した。また、ＨＩＰ焼結後の冷却速度は実施例１１および実施例１２は冷却速度１０℃／ｓ、実施例１３および実施例１４は冷却速度５℃／ｓとした。
　熱電変換材料の組成は表１０に示した通りである。また、いずれも焼結体の相対密度は９９％以上あった。また、いずれも金属不純物の含有量は５００~１０００ｗｔｐｐｍの範囲であった。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
 　実施例１１~１４に対し、実施例１と同様の分析を行った。その結果を表１１に示す。また、図７に実施例１１の熱電変換材料について、Ｔｉの特性Ｘ線強度の強度比と頻度との関係を示す頻度グラフを示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
 　次に、実施例１と同様の方法で、実施例１１~１４に係る熱電変換材料に対してＺＴ値を測定した。その結果を表１２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
 　表から分かる通り、実施例に係る熱電変換材料はＺＴ値の平均値が高く、そのばらつきも小さかった。頻度グラフのピークが１つであっても、「最大値−最小値≧１０」と幅の広いブロードな頻度グラフを示すものであれば、特性が向上することが分かった。図７に示す実施例１１の頻度グラフには、ピークが１つ現れている。ピークを示す頻度をＰとし、頻度グラフの下限値（最小値）をＶ１、上限値（最大値）をＶ２とする。実施例１１では、ピークを示す頻度Ｐが１６．５で、最小値Ｖ１が１３．５、最大値Ｖ２が２９．５であった。よって、実施例１１の最小値Ｖ１はピークを示す頻度Ｐから「−３」小さく、最大値Ｖ２はピークを示す頻度Ｐから「１３」大きく、最大値Ｖ２と最小値Ｖ１との差が１６であった。
　そのため、実施例に係る熱電変換材料を用いた熱電変換モジュールは特性が安定する。特に、Ｐ型とＮ型のペアを１セットとし、５０セット以上の大型の熱電変換モジュールに有効である。
　１…Ｐ型熱電変換材料、２…Ｎ型熱電変換材料、３ａ、３ｂ…電極、４ａ，４ｂ…絶縁基板、５…ホール、６…電子、７…ＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子、８…Ｔｉの特性Ｘ線のピーク強度比が１５以上の領域。

Claims (18)

  1. 　下記組成式（１）で表わされ、ＭｇＡｇＡｓ型結晶構造を有する多結晶体からなる熱電変換材料において、前記多結晶体内にＴｉ濃度の異なる領域を有するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を具備することを特徴とする熱電変換材料。
    　（ＡａＴｉｂ）ｃＤｄＸｅ　　　組成式（１）
    （上記組成式（１）中、ｄ＝１としたとき、０．２≦ａ≦０．７、０．３≦ｂ≦０．８、ａ＋ｂ＝１、０．９３≦ｃ≦１．０８、０．９３≦ｅ≦１．０８である。ＡはＺｒ、Ｈｆの少なくとも１種以上の元素、ＤはＮｉ、ＣｏおよびＦｅよりなる群から選ばれる少なくとも１種以上の元素、ＸはＳｎおよびＳｂの少なくとも一種以上の元素である。）。
  2. 　熱電変換材料の任意の断面をＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）にて一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内を０．２μｍ間隔でＴｉの特性Ｘ線を測定し、横軸にＴｉの特性Ｘ線の強度比、縦軸にＴｉの特性Ｘ線強度毎の頻度をプロットした頻度グラフを作成したとき、頻度グラフはピークが２つ以上存在するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を具備することを特徴とする請求項１記載の熱電変換材料。
  3. 　熱電変換材料の任意の断面をＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）にて一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内を０．２μｍ間隔でＴｉの特性Ｘ線を測定し、横軸にＴｉの特性Ｘ線の強度比、縦軸にＴｉの特性Ｘ線強度毎の頻度をプロットした頻度グラフを作成したとき、頻度グラフはピークが２つ以上存在するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子を具備し、最も大きなピークとなる強度比の頻度Ｋ１と最も小さなピークとなる強度の頻度Ｋ２の比（Ｋ１／Ｋ２）が１．２以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれか１項に記載の熱電変換材料。
  4. 　熱電変換材料の任意の断面にて単位面積２４０μｍ×８０μｍをＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）にて一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内を０．２μｍ間隔でＴｉの特性Ｘ線を測定し、横軸にＴｉの特性Ｘ線の強度比、縦軸にＴｉの特性Ｘ線強度毎の頻度をプロットした頻度グラフを作成したとき、頻度グラフはピークが２つ以上存在するＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子が、結晶粒子の個数割合で３０％以上１００％以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の熱電変換材料。
  5. 　前記頻度グラフの上限値から下限値を引いた値が１０以上であることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれか１項に記載の熱電変換材料。
  6. 　熱電変換材料の任意の断面をＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）にて一つのＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子内を０．２μｍ間隔でＴｉの特性Ｘ線を測定し、横軸にＴｉの特性Ｘ線の強度比、縦軸にＴｉの特性Ｘ線強度毎の頻度をプロットした頻度グラフを作成したとき、頻度グラフはピークが１つであり、ピークを示す頻度に対し、頻度グラフの下限値はピークを示す頻度から−５以下かつ頻度グラフの上限値は、ピークを示す頻度から＋５以上であることを特徴とする請求項１記載の熱電変換材料。
  7. 　前記頻度グラフの頻度の上限値から下限値を引いた値が１５以上であることを特徴とする請求項６記載の熱電変換材料。
  8. 　熱電変換材料の任意の焼結面にて面積２４０μｍ×８０μｍをＥＢＳＤ（後方散乱電子線回折）分析したとき、単位面積あたりの結晶粒子の全数を１とした場合、（００１）面、（１０１）面、（１１１）面のいずれの結晶方位を示す結晶粒子の個数割合が０．５未満であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の熱電変換材料。
  9. 　平均結晶粒径が２~４０μｍであることを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の熱電変換材料。
  10. 　前記多結晶体が焼結体であることを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の熱電変換材料。
  11. 　面積２４０μｍ×８０μｍあたり、ＭｇＡｇＡｓ型結晶粒子は面積比で９２％以上であることを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の熱電変換材料。
  12. 　前記Ｄは、Ｎｉ及びＣｏよりなる群から選ばれる少なくとも１種以上の元素であることを特徴とする請求項１ないし請求項１１のいずれか１項に記載の熱電変換材料。
  13. 　請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の熱電変換材料を用いたことを特徴とする熱電変換モジュール。
  14. 　組成式（１）を満たす原料溶湯を調製する工程と、原料溶湯を冷却速度１００℃／ｓ以下で冷却して原料粉末を調製する工程と、得られた原料粉末を成形する工程と、得られた成形体を焼結する工程、を具備する請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の熱電変換材料の製造方法。
  15. 　原料粉末を調製する工程が、冷却工程にて作製したインゴットを粉砕処理する工程を具備することを特徴とする請求項１４記載の熱電変換材料の製造方法。
  16. 　組成式（１）を満たす原料溶湯を調製する工程と、原料溶湯を１００℃／ｓを超える冷却速度で急冷して原料粉末を調製する工程と、得られた原料粉末に熱処理する工程と、熱処理後の原料粉末を成形する工程と、得られた成形体を焼結する工程、を具備する請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の熱電変換材料の製造方法。
  17. 　組成式（１）を満たす原料溶湯を調製する工程と、原料溶湯を１００℃／ｓを超える冷却速度で急冷して原料粉末を調製する工程と、得られた原料粉末を成形する工程と、得られた成形体を焼結する工程、得られた焼結体に熱処理を施す熱処理工程を具備する請求項１ないし請求項１２のいずれか１項に記載の熱電変換材料の製造方法。
  18. 　１００℃／ｓを超える冷却速度で急冷して原料粉末を調製する工程がアトマイズ法であることを特徴とする請求項１６ないし請求項１７のいずれか１項に記載の熱電変換材料の製造方法。
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