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JP4400861B2 - Oriented thermoelectric material and method for producing the same - Google Patents
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Description

本発明は、熱電材料およびその製造方法に関し、さらに詳しくは、結晶配向性すなわち結晶が一定の方向に配向した配向熱電材料およびその製造方法に関するものである。   The present invention relates to a thermoelectric material and a method for producing the same, and more particularly to crystal orientation, that is, an oriented thermoelectric material in which crystals are oriented in a certain direction, and a method for producing the same.

現在、世界のエネルギーは、その多くを化石燃料の燃焼エネルギーに依存しているが、熱サイクルを使用する発電システムの場合、そのエネルギーの多くを廃熱として未利用のまま廃棄しているのが現状である。一方、地球環境の保全が世界的規模で議論されるようになり、エネルギーの未利用分の有効利用技術開発が精力的に進められている。   Currently, much of the world's energy depends on the combustion energy of fossil fuels, but in the case of power generation systems that use thermal cycles, most of that energy is discarded as waste heat. Currently. On the other hand, global environmental conservation has been debated on a global scale, and development of effective utilization technology for unused energy has been energetically promoted.

この中で、熱電変換を用いた発電は、比較的低品質の熱においても直接電気に変換することが可能であるため、現状の未利用の廃熱を回収できる技術であり、最近のエネルギー問題や環境問題の深刻化に伴い、熱電変換に対する期待度はますます大きくなっている。   Among these, power generation using thermoelectric conversion can directly convert even relatively low-quality heat into electricity. As the environmental problems become more serious, expectations for thermoelectric conversion are increasing.

この熱電変換とは、異なる2種の金属やp型半導体とn型半導体等の熱電変換材料に温度差を与えると、両端に熱起電力が発生するゼーベック効果を利用して、熱エネルギーを直接電力に変換する技術であり、モーターやタービン等の可動部がまったくなく、また、老廃物もないという優れた特徴を有している。   This thermoelectric conversion is the direct application of thermal energy using the Seebeck effect in which thermoelectromotive force is generated at both ends when a temperature difference is given to two different metals or thermoelectric conversion materials such as p-type and n-type semiconductors. It is a technology that converts power into electric power and has excellent features such as no moving parts such as motors and turbines, and no waste.

ここで、熱電特性の性能評価に用いられる性能指数Zは、下記の式で表される。
Z=α/(κ・ρ)
α:ゼーベック係数
κ:熱伝導率
ρ:比抵抗
Here, the figure of merit Z used for performance evaluation of thermoelectric characteristics is expressed by the following equation.
Z = α 2 / (κ · ρ)
α: Seebeck coefficient
κ: Thermal conductivity
ρ: specific resistance

すなわち、大きな性能指数Zを得るためには、ゼーベック係数αが大きく、熱伝導率κと比抵抗ρが小さいことが必要である。   That is, in order to obtain a large figure of merit Z, it is necessary that the Seebeck coefficient α is large and the thermal conductivity κ and the specific resistance ρ are small.

ここで、ゼーベック係数αは物性値であるため材料によって決まってしまうが、熱伝導率κと比抵抗ρは、材料の微細組織や配向性によっても大きく変化させることが可能なため、熱伝導率κや比抵抗ρを小さくするための結晶組織制御方法が様々検討されている。   Here, Seebeck coefficient α is a physical property value, so it depends on the material. However, thermal conductivity κ and specific resistance ρ can be changed greatly depending on the microstructure and orientation of the material. Various crystal structure control methods for reducing κ and specific resistance ρ have been studied.

すなわち、結晶組織の配向性を向上させることにより、ある方向に対して熱伝導率κおよび比抵抗ρを小さくすることが可能となり、その結果、その方向における熱電特性を向上すなわち性能指数Zを大きくすることができるようになる。   That is, by improving the orientation of the crystal structure, it becomes possible to reduce the thermal conductivity κ and the specific resistance ρ in a certain direction. As a result, the thermoelectric characteristics in that direction are improved, that is, the figure of merit Z is increased. Will be able to.

例えば、特開2000−211971号公報(特許文献1)には、AxB2Oy(A:Na,Li,K,Ca,Sr,Ba,Bi,Y,La、 B:Mn,Fe,Co,Ni,Cu、1≦x≦2、2≦y≦4)型構造を有する熱電素子材料。特にNaCo2O4系熱電素子材料は、水酸化コバルトまたは酸化コバルトの板状粒子とナトリウム金属塩とを混合し、これを前記水酸化コバルトまたは酸化コバルト粒子が一方向に配向するように成形し、この成形体を焼成して緻密化させることによりC軸方向が配向した焼結体が作製される、という内容の熱電素子材料およびその製造方法が提案されている。   For example, Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2000-211971 (Patent Document 1) describes AxB2Oy (A: Na, Li, K, Ca, Sr, Ba, Bi, Y, La, B: Mn, Fe, Co, Ni, Cu). 1 ≦ x ≦ 2, 2 ≦ y ≦ 4) thermoelectric element material having a structure. In particular, the NaCo 2 O 4 -based thermoelectric element material is a mixture of cobalt hydroxide or cobalt oxide plate-like particles and sodium metal salt, which is molded so that the cobalt hydroxide or cobalt oxide particles are oriented in one direction. A thermoelectric element material and a manufacturing method thereof have been proposed in which a sintered body with the C-axis direction oriented is produced by firing and densifying the body.

また、特開2002−16297号公報(特許文献2)には、結晶配向材料のテンプレートとなる物質である形状異方性を有するZnOまたはその前駆体粉末材料と、このZnOまたはその前駆体粉末材料との反応によって結晶異方性のある導電性酸化物を生成する物質とを混合し、この混合材料を前記異方形状粉末が一方向に配向するように常温下で成形し、この成形物を熱処理することにより合成し、その後に焼結する、という内容の結晶配向バルクZnO系焼結体材料の製造方法およびそれにより製造された熱電変換デバイスが提案されている。   Japanese Patent Laid-Open No. 2002-16297 (Patent Document 2) discloses ZnO having a shape anisotropy as a template for a crystal orientation material or a precursor powder material thereof, and this ZnO or a precursor powder material thereof. Is mixed with a substance that generates a conductive oxide having crystal anisotropy by reaction with the mixture, and the mixed material is molded at room temperature so that the anisotropically shaped powder is oriented in one direction. A method for producing a crystal-oriented bulk ZnO-based sintered material, which is synthesized by heat treatment and then sintered, and a thermoelectric conversion device produced thereby have been proposed.

さらに、特開2001−223396号公報(特許文献3)には、V族元素とVI族元素からそれぞれ選択した一種以上の元素の組み合わせを主成分とする熱電材料若しくは金属と半金属系材料の組み合わせを主成分とする熱電材料またはこれらに酸化物、炭化物、窒化物若しくはこれらの混合物を添加した熱電材料の直流通電加圧による焼結に際し、100〜15000Aの可変電流範囲で通電するとともに、磁束密度0.1T≦H≦2.0T(T:テスラ)の範囲で磁場をかけながら焼結し、焼結体組織の電気的配向性を得ることを特徴とする熱電材料の製造方法が提案されている。   Furthermore, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-223396 (Patent Document 3) discloses a thermoelectric material or a combination of a metal and a semi-metal material mainly composed of a combination of one or more elements selected from Group V elements and Group VI elements. In the sintering by direct current energization pressurization of a thermoelectric material having a main component, or oxides, carbides, nitrides or mixtures thereof added thereto, current is applied in a variable current range of 100 to 15000 A, and magnetic flux density A method for producing a thermoelectric material characterized in that sintering is performed while applying a magnetic field in a range of 0.1 T ≦ H ≦ 2.0 T (T: Tesla) to obtain an electrical orientation of the sintered body structure. Yes.

特開2000−211971号公報JP 2000-219711 A 特開2002−016297号公報JP 2002-016297 A 特開2001−223396号公報JP 2001-223396 A

しかしながら、上記特許文献1および上記特許文献2により提案された方法によると、確かにある程度配向された試料を提供することが可能であるが、いずれもその配向度には限界があり、さらに、配向した成形物を焼結あるいは焼成して緻密化する際に配向度が低下するため、その配向性がまだ十分ではないという不具合が生じている。   However, according to the methods proposed in Patent Document 1 and Patent Document 2, it is possible to provide a sample that is certainly oriented to some extent, but there is a limit in the degree of orientation, When the formed product is sintered or fired to be densified, the degree of orientation is lowered, so that the orientation is not sufficient.

また、上記特許文献3により提案された方法によると、磁場中において焼結を行うことにより、電気的配向性を得ているのみであり、磁場強度が小さいため結晶そのものを配向することができず、かえって電気抵抗や熱伝導率等の物理的特性の異方性を減少または消失させてしまって、結晶組織の配向度を大きくし、ある方向における熱伝導率や比抵抗を小さくするための結晶組織制御方法という目的では用いることができないのが現状である。   In addition, according to the method proposed in Patent Document 3, electrical orientation is only obtained by sintering in a magnetic field, and the crystal itself cannot be oriented because the magnetic field strength is small. On the other hand, crystals that reduce or eliminate the anisotropy of physical properties such as electrical resistance and thermal conductivity, increase the degree of orientation of the crystal structure, and reduce the thermal conductivity and specific resistance in a certain direction At present, it cannot be used for the purpose of a tissue control method.

これより熱電材料の結晶配向度を大きくでき、その配向度を減少させることなく熱電材料を製造できる方法ならびに十分な配向度を有した熱電材料が切望されていた。   Accordingly, there has been a strong demand for a method capable of increasing the crystal orientation degree of the thermoelectric material and producing the thermoelectric material without reducing the degree of orientation, and a thermoelectric material having a sufficient degree of orientation.

そこで本発明の目的は、結晶配向度が大きく優れた熱電特性を有する熱電材料を製造する方法およびその製造方法により形成された熱電材料を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a method for producing a thermoelectric material having a large degree of crystal orientation and excellent thermoelectric properties, and a thermoelectric material formed by the production method.

本発明の第の特徴は、結晶が一定の方向に配向した配向熱電材料において、該配向熱電材料が少なくともフェリ磁性成分とともに反磁性成分を含有することにある。 The first feature of the present invention is that in an oriented thermoelectric material in which crystals are oriented in a certain direction, the oriented thermoelectric material contains at least a ferrimagnetic component and a diamagnetic component .

本発明の第の特徴は、熱電材料を磁場中で成形して配向熱電材料を製造する配向熱電材料の製造方法において、前記熱電材料中に、フェリ磁性成分を添加する工程を具備したことにある。 According to a second aspect of the present invention, in the method for producing an oriented thermoelectric material by forming the thermoelectric material in a magnetic field, the method includes the step of adding a ferrimagnetic component to the thermoelectric material. is there.

請求項に記載の発明によれば、フェリ磁性を含有することにより、磁場による配向が可能になり、それにより特定の方向において熱電特性が向上できた。 According to the first aspect of the present invention, by including ferrimagnetism, orientation by a magnetic field is possible, thereby improving thermoelectric characteristics in a specific direction.

請求項に記載の発明によれば、簡便な方法を用いて配向性の良好な熱電材料を製造することが可能になった。 According to invention of Claim 2 , it became possible to manufacture the thermoelectric material with favorable orientation using a simple method.

本発明は、熱電材料中に常磁性成分、強磁性成分、フェリ磁性成分といった磁性成分を添加することにより、磁場中にて熱電材料あるいは熱電材料成形体を形成し、必要に応じてさらに磁場中にて熱処理による緻密化を行う等により、結晶配向度が大きく優れた熱電特性を有する熱電材料を製造する方法およびその製造方法により形成された熱電材料を得るようにしたものである。   In the present invention, a thermoelectric material or a thermoelectric material molded body is formed in a magnetic field by adding a magnetic component such as a paramagnetic component, a ferromagnetic component, or a ferrimagnetic component to the thermoelectric material. A method of manufacturing a thermoelectric material having a large crystal orientation and excellent thermoelectric characteristics by performing densification by heat treatment, and a thermoelectric material formed by the manufacturing method are obtained.

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて詳細に説明する。
図1は、本発明の製造工程の一例を示した図である。
本例は、熱電材料微粒子の合成工程(ステップS10)、磁性成分の添加工程(ステップS20),分散液作製の工程(ステップS30),磁場中での成形工程(ステップS40),および磁場中熱処理の工程(ステップS50)からなる。なお、分散液作成の工程(ステップS30)は、分散液を特に用いない場合には不要である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an example of the manufacturing process of the present invention.
This example includes a thermoelectric material fine particle synthesis step (step S10), a magnetic component addition step (step S20), a dispersion preparation step (step S30), a molding step in a magnetic field (step S40), and a heat treatment in a magnetic field. (Step S50). Note that the step of creating the dispersion (step S30) is not necessary when the dispersion is not particularly used.

以下、各工程について詳細に説明する。
(a)最初の工程は、熱電材料微粒子の合成工程である。
この場合の微粒子は、磁化率の異方性を有していることが必要である。すなわち、任意の方向には磁化率χが小さく、他の任意の方向においては磁化率χが大きく、その両方向の磁化率の差Δχはできるだけ大きい方が磁場を用いて配向熱電材料を製造するには好ましい。
Hereinafter, each step will be described in detail.
(A) The first step is a thermoelectric material fine particle synthesis step.
The fine particles in this case are required to have magnetic susceptibility anisotropy. That is, the magnetic susceptibility χ is small in any direction, the magnetic susceptibility χ is large in any other direction, and the difference Δχ between the two directions is as large as possible to produce an oriented thermoelectric material using a magnetic field. Is preferred.

ここでは、微粒子の例に関して述べているが、必ずしも微粒子である必要はない。また、もともと結晶構造に異方性がある場合は、それによって磁化率の異方性をも有することが可能である。   Here, an example of fine particles is described, but the fine particles are not necessarily required. Further, when the crystal structure originally has anisotropy, it can also have anisotropy of magnetic susceptibility.

この意味からも、例えば、酸化物の層状化合物は配向熱電材料を製造するための原料として好ましい。この化合物は層状になっているため、層の積層方向とそれに垂直方向で磁化率χが大きく異なっており、磁場で配向することによって熱電特性を向上させることが可能になるわけである。   Also in this sense, for example, an oxide layered compound is preferable as a raw material for producing an oriented thermoelectric material. Since this compound is in the form of a layer, the magnetic susceptibility χ is greatly different between the stacking direction of the layers and the direction perpendicular thereto, and the thermoelectric characteristics can be improved by orientation with a magnetic field.

(b)次の工程は、磁性成分の添加工程(ステップS20)である。
磁場による配向熱電材料の形成を考慮した場合には、添加する磁性成分としては、常磁性成分、強磁性成分、およびフェリ磁性成分が適している。
(B) The next step is a magnetic component addition step (step S20).
In consideration of the formation of an oriented thermoelectric material by a magnetic field, paramagnetic components, ferromagnetic components, and ferrimagnetic components are suitable as magnetic components to be added.

これらの磁性成分が、磁化率の異方性を有していると、さらに好適である。また、添加した磁性成分は、全体に均一に分布するように、必要に応じて均一分布化処理を施しても問題ない。   It is more preferable that these magnetic components have magnetic susceptibility anisotropy. Moreover, there is no problem even if the added magnetic component is subjected to a uniform distribution process as necessary so that it is uniformly distributed throughout.

添加する量に関しては、添加する磁性成分の磁気特性およびその形状等によって異なるため、添加する磁性成分によって最適な添加量を適宜選択すればよい。   Since the amount to be added varies depending on the magnetic characteristics and the shape of the magnetic component to be added, an optimal addition amount may be appropriately selected depending on the magnetic component to be added.

また、磁場による配向熱電材料の形成ならびに配向熱電材料の熱電特性を考慮すると、熱電材料としては、少なくとも反磁性成分を含有することが好ましい。この場合、反磁性磁化率の異方性が大きいことがより好ましい。   In consideration of the formation of the alignment thermoelectric material by a magnetic field and the thermoelectric properties of the alignment thermoelectric material, the thermoelectric material preferably contains at least a diamagnetic component. In this case, it is more preferable that the anisotropy of the diamagnetic susceptibility is large.

(c)次の工程は、上記のように磁性成分を添加した熱電微粒子を溶媒中に分散する分散液作製の工程(ステップS30)である。上述したように、分散液を特に用いない場合は、この工程を省略することができる。 (C) The next step is a step of producing a dispersion (step S30) in which the thermoelectric fine particles to which the magnetic component is added as described above are dispersed in a solvent. As described above, this step can be omitted when the dispersion is not particularly used.

分散液としては、水、有機溶媒、無機溶媒、いずれを用いても特に問題ない。いずれの場合にも、微粒子が、凝集することなく溶媒中に分散していることが必要である。そのために、必要に応じて超音波分散を行ったり、あるいは、界面活性剤等を添加しても問題ない。   There is no particular problem even if any of water, an organic solvent, and an inorganic solvent is used as the dispersion. In any case, it is necessary that the fine particles are dispersed in the solvent without agglomeration. Therefore, there is no problem even if ultrasonic dispersion is performed as necessary, or a surfactant or the like is added.

ここで、上記工程で添加した磁性成分を、上記工程で添加せず(上記工程を経ず)この工程で添加しても問題ない。その場合は、磁性成分をそのまま添加しても問題ないし、磁性成分を分散液とした後に添加しても問題ない。適宜選択すればよい。   Here, there is no problem even if the magnetic component added in the above step is not added in the above step (without passing through the above step) and added in this step. In that case, there is no problem even if the magnetic component is added as it is, and there is no problem if it is added after the magnetic component is made into a dispersion. What is necessary is just to select suitably.

(d)次の工程は、磁場中での成形工程(ステップS40)、すなわち、上記の熱電微粒子の分散液(分散液を用いない場合は集合体)を磁場中に挿入し、成形体とする工程である。 (D) The next step is a molding step in a magnetic field (step S40), that is, the above-described dispersion of thermoelectric fine particles (an aggregate when no dispersion is used) is inserted into the magnetic field to form a molded body. It is a process.

磁化率の異方性を有した微粒子は、磁場により配向させることが可能である。微粒子が置かれている状態にもよるが、磁場強度をHとすると、
≫2kT/Δχ
k:ボルツマン定数
T:絶対温度
Δχ:磁化率の異方性
の関係を満たすような磁場強度の場合に、磁化率の大きい方向を磁場印加方向に配向させることが可能になる。
Fine particles having anisotropy of magnetic susceptibility can be oriented by a magnetic field. Depending on the state where the fine particles are placed, if the magnetic field strength is H,
H 2 >> 2 kT / Δχ
k: Boltzmann constant
T: Absolute temperature
Δχ: When the magnetic field intensity satisfies the anisotropy relationship of magnetic susceptibility, it becomes possible to orient the direction in which the magnetic susceptibility is large in the magnetic field application direction.

しかしながら、熱電材料は一般的には強磁性体ではないので、その配向のためには、非常に大きい磁場強度を必要とする。この磁場強度としては、2Tより大きい場合が、熱電材料を配向するためには好ましく、より好ましくは5T以上の磁場であり、さらに好ましくは10T以上の磁場である。この工程により、磁化率の異方性を有した微粒子が磁化率の大きい方向を、印加した磁場の方向に配向した成形体が形成される。   However, since thermoelectric materials are generally not ferromagnetic, they require a very high magnetic field strength for their orientation. The magnetic field strength is preferably greater than 2T in order to orient the thermoelectric material, more preferably a magnetic field of 5T or more, and even more preferably a magnetic field of 10T or more. By this step, a molded body is formed in which fine particles having anisotropy of magnetic susceptibility are oriented in the direction of the applied magnetic field in the direction in which the magnetic susceptibility is large.

ここで、本発明のように、熱電材料中に、常磁性成分、強磁性成分、およびフェリ磁性成分といった磁性成分が添加されている場合は、より配向性の良好な熱電材料を製造することが可能である。   Here, as in the present invention, when a magnetic component such as a paramagnetic component, a ferromagnetic component, and a ferrimagnetic component is added to the thermoelectric material, it is possible to produce a thermoelectric material with better orientation. Is possible.

さらには、添加する磁性成分の、磁気特性ならびに形状によっては、より小さい磁場強度においても、配向熱電材料を製造することが可能になり、生産性の向上に貢献できるものである。   Furthermore, depending on the magnetic characteristics and shape of the magnetic component to be added, an oriented thermoelectric material can be produced even with a smaller magnetic field strength, which can contribute to the improvement of productivity.

(e)続いての工程は、この成形体を熱処理により緻密化を行い、強度の大きいバルク体を形成する磁場中熱処理の工程(ステップS50)である。 (E) The subsequent process is a process of heat treatment in a magnetic field (step S50) in which the compact is densified by heat treatment to form a bulk body with high strength.

この熱処理による緻密化工程には、微粒子原料をバルク化する焼結の工程も含まれる。従来の配向熱電材料を製造する方法では、配向した成形体を形成した後、この熱処理による緻密化を行う工程で、その配向度を小さくしてしまっていた。これは、熱処理により、せっかく配向していた粒子等がその一部の領域がランダムな方向を向いてしまうためである。   This densification step by heat treatment includes a sintering step for bulking the fine particle raw material. In the conventional method for producing an oriented thermoelectric material, the degree of orientation is reduced in the step of densification by this heat treatment after forming an oriented shaped body. This is because some regions of particles or the like that have been orientated are oriented in a random direction by heat treatment.

これに対して、磁場中での熱処理(焼結も含む)を行うことにより緻密化を行う場合は、この工程においても配向度を維持することが可能になるため、極めて配向性の良い熱電材料のバルク体を形成することができるわけである。但し、この場合は、温度が高温になるため、磁化率が低下し、それによって磁化率の異方性が減少することが考えられ、その場合には、それに応じた磁場強度にすることが必要になる。   On the other hand, when densification is performed by heat treatment (including sintering) in a magnetic field, the degree of orientation can be maintained even in this step. It is possible to form a bulk body. However, in this case, since the temperature becomes high, the magnetic susceptibility may decrease, thereby reducing the anisotropy of the magnetic susceptibility. In that case, it is necessary to adjust the magnetic field strength accordingly. become.

この工程に於いても、本発明のように、熱電材料中に、常磁性成分、強磁性成分、およびフェリ磁性成分といった磁性成分が添加されている場合は、より配向性の良好な熱電材料を製造することが可能である。   Even in this step, when a magnetic component such as a paramagnetic component, a ferromagnetic component, and a ferrimagnetic component is added to the thermoelectric material as in the present invention, a thermoelectric material with better orientation is obtained. It is possible to manufacture.

さらには、添加する磁性成分の、磁気特性ならびに形状によっては、より小さい磁場強度においても、配向熱電材料を製造することが可能になり、生産性の向上に貢献できるものである。   Furthermore, depending on the magnetic characteristics and shape of the magnetic component to be added, an oriented thermoelectric material can be produced even with a smaller magnetic field strength, which can contribute to the improvement of productivity.

以上は、熱電材料を配向成形体にした後、熱処理により緻密化する場合を説明したが、熱電材料の前駆体を同様な方法で配向成形体とし、熱処理により熱電材料を合成することも可能である。   The above describes the case where the thermoelectric material is made into an oriented molded body and then densified by heat treatment, but it is also possible to synthesize the thermoelectric material by heat treatment by using the thermoelectric material precursor in the same way as the oriented molded body. is there.

図2は、結晶の配向性を有していない熱電材料(多結晶体)の概念図であり、構成要素である熱電材料の結晶粒aの各々は、磁化率の異方性がばらばら(ランダム)の方向を向いている(図2において、各結晶粒a中の点線の方向が磁化率の大きい方向に相当)。   FIG. 2 is a conceptual diagram of a thermoelectric material (polycrystal) that does not have crystal orientation, and each of the crystal grains a of the thermoelectric material that is a constituent element varies in magnetic anisotropy (randomly). (In FIG. 2, the direction of the dotted line in each crystal grain a corresponds to the direction of high magnetic susceptibility).

それに対し、本発明により製造した配向熱電材料(多結晶体)は、添加した磁性成分が印加した磁場方向に配向する性質を利用することにより、より簡易的に全体が磁化率の異方性に沿って配向しており、すなわち、磁化率の大きい方向が試料全体で揃うことが可能になる。   On the other hand, the oriented thermoelectric material (polycrystal) produced according to the present invention makes it easier to make the whole magnetic anisotropy easier by utilizing the property that the added magnetic component is oriented in the applied magnetic field direction. That is, the direction in which the magnetic susceptibility is large can be aligned in the entire sample.

図3は、本発明により製造した配向熱電材料(多結晶体)の概念図であり、添加した磁性微粒子bの磁性成分(常磁性、強磁性,フェリ磁性)が印加した磁場方向に配向し、磁化率の大きい方向が熱電材料微粒子cを含めた試料全体で揃う様子を示している(図3において、点線の方向が磁化率の大きい方向に相当)。   FIG. 3 is a conceptual diagram of an oriented thermoelectric material (polycrystal) produced according to the present invention, in which magnetic components (paramagnetism, ferromagnetism, ferrimagnetism) of added magnetic fine particles b are oriented in the applied magnetic field direction, A state in which the direction in which the magnetic susceptibility is large is uniform in the entire sample including the thermoelectric material fine particles c (in FIG. 3, the direction of the dotted line corresponds to the direction in which the magnetic susceptibility is large).

例えば、この磁化率の異方性に対して比抵抗あるいは熱伝導率等の電気的特性の異方性が対応する酸化物の層状化合物から構成される熱電材料等では、特定の方向において、熱電特性を向上させることが可能になる。   For example, in a thermoelectric material composed of an oxide layered compound in which the anisotropy of electrical characteristics such as specific resistance or thermal conductivity corresponds to the anisotropy of magnetic susceptibility, the thermoelectric The characteristics can be improved.

例えば、特定の方向において比抵抗を小さくすることができれば、その他の物理定数が一緒であってもその方向における性能指数Zは大きくなり、その方向で優れた熱電特性が得られることになる。   For example, if the specific resistance can be reduced in a specific direction, the figure of merit Z in that direction increases even if other physical constants are combined, and excellent thermoelectric characteristics can be obtained in that direction.

また、熱伝導率の小さい方向を利用して、一端を高温とし、多端を低温とすることにより、両端での温度差を大きく取ることが可能になり、それによって取り出せる電力を向上することが可能になる。   In addition, by using a direction with low thermal conductivity, by setting one end to a high temperature and the other end to a low temperature, it is possible to increase the temperature difference at both ends, thereby improving the power that can be extracted. become.

このように、本発明を用いると、熱電材料に、常磁性成分,強磁性成分,フェリ磁性成分といった磁性成分を添加し、磁場中で配向成形体を形成することにより、磁化率の異方性に沿って配向した成形体を得ることができる。   As described above, when the present invention is used, anisotropy of magnetic susceptibility is obtained by adding a magnetic component such as a paramagnetic component, a ferromagnetic component, and a ferrimagnetic component to a thermoelectric material and forming an oriented compact in a magnetic field. It is possible to obtain a molded body oriented along the.

さらに磁場中で熱処理を行い、配向成形体の緻密化を行うことにより、磁化率の異方性に沿って配向したままの(配向性を低下させないで)強度の大きいバルク体を形成することが可能になる。   Further, heat treatment is performed in a magnetic field, and the oriented compact is densified to form a bulk material with high strength that remains oriented along the anisotropy of magnetic susceptibility (without reducing orientation). It becomes possible.

以上説明したように、非常に簡便な方法にて、従来その製造が困難であった非常に良好な配向性を有した熱電材料の製造が可能になり、本発明で製造した配向性熱電材料は、特定の方向において非常に高い熱電特性を有することができるものである。   As described above, it becomes possible to produce a thermoelectric material having a very good orientation that has been difficult to produce by a very simple method, and the oriented thermoelectric material produced in the present invention is , Which can have very high thermoelectric properties in a specific direction.

次に、具体的な実施例について説明する。
(実施例1)
Co粉末とNaCO粉末を、十分に混合した後、電気マッフル炉にて、880℃にて20時間焼成を行った。
Next, specific examples will be described.
Example 1
Co 3 O 4 powder and Na 2 CO 3 powder were sufficiently mixed and then baked at 880 ° C. for 20 hours in an electric muffle furnace.

焼成後、この試料を粉砕することにより、NaCo(1≦x≦2、2≦y≦4)微粒子を合成した。 After firing, this sample was pulverized to synthesize Na x Co 2 O y (1 ≦ x ≦ 2, 2 ≦ y ≦ 4) fine particles.

この微粒子を、超伝導マグネットを用いて10T(テスラ)の磁場を印加しながら成形した結果、1軸方向に配向した成形体が形成できた(試料1)。   As a result of molding the fine particles while applying a magnetic field of 10 T (Tesla) using a superconducting magnet, a molded body oriented in a uniaxial direction could be formed (Sample 1).

これに対し、粉砕したNaCo(1≦x≦2、2≦y≦4)微粒子中に、常磁性成分として、FeCr微粒子を5wt%添加した複合微粒子を、同様に超伝導マグネットを用いて10T(テスラ)の磁場を印加しながら成形した結果、この場合も1軸方向に配向した成形体が形成できた(試料2)。 On the other hand, composite fine particles obtained by adding 5 wt% of FeCr 2 O 4 fine particles as a paramagnetic component in pulverized Na x Co 2 O y (1 ≦ x ≦ 2, 2 ≦ y ≦ 4) fine particles are similarly used. As a result of molding using a superconducting magnet while applying a magnetic field of 10 T (Tesla), a molded body oriented in the uniaxial direction was formed in this case as well (Sample 2).

走査型電子顕微鏡を用いて、試料1と試料2の配向性を評価した結果、試料2の配向性の方が良好であることがわかった。   As a result of evaluating the orientation of Sample 1 and Sample 2 using a scanning electron microscope, it was found that the orientation of Sample 2 was better.

(実施例2)
実施例1において、NaCo(1≦x≦2、2≦y≦4)微粒子中に添加する磁性成分として、フェリ磁性成分であるMnZnフェライト(38mol%MnO−6.4mol%ZnO−Fe)を5wt%添加した複合微粒子を、同様に超伝導マグネットを用いて10Tの磁場を印加しながら成形した結果、この場合も1軸方向に配向した成形体が形成できた(試料3)。
(Example 2)
In Example 1, as a magnetic component added to Na x Co 2 O y (1 ≦ x ≦ 2, 2 ≦ y ≦ 4) fine particles, MnZn ferrite (38 mol% MnO-6.4 mol% ZnO-) as a ferrimagnetic component is used. As a result of forming composite fine particles to which 5 wt% of Fe 2 O 3 ) was similarly applied using a superconducting magnet while applying a magnetic field of 10 T, a molded body oriented in a uniaxial direction could be formed in this case as well (sample) 3).

走査型電子顕微鏡を用いて配向性を評価した結果、試料1と比較して試料3の配向性の方が良好であった。   As a result of evaluating the orientation using a scanning electron microscope, the orientation of sample 3 was better than that of sample 1.

(実施例3)
実施例2と同様の方法を用いて成形体を形成する際、超伝導マグネットの磁場強度を変化させ、同様に走査型電子顕微鏡を用いて配向性を評価した。
(Example 3)
When forming a compact using the same method as in Example 2, the magnetic field strength of the superconducting magnet was changed, and the orientation was similarly evaluated using a scanning electron microscope.

NaCo(1≦x≦2、2≦y≦4)微粒子のみを用いた場合は、5T以上の磁場強度において、良好な配向性が確認できたのに対し、NaCo(1≦x≦2、2≦y≦4)微粒子中にMnZnフェライト(38mol%MnO−6.4mol%ZnO−Fe)を5wt%添加した複合微粒子を用いた場合には、2T以上の磁場強度において良好な配向性が確認できた。 When only Na x Co 2 O y (1 ≦ x ≦ 2, 2 ≦ y ≦ 4) fine particles were used, good orientation was confirmed at a magnetic field strength of 5 T or more, whereas Na x Co 2 When composite fine particles in which 5 wt% of MnZn ferrite (38 mol% MnO—6.4 mol% ZnO—Fe 2 O 3 ) is added to O y (1 ≦ x ≦ 2, 2 ≦ y ≦ 4) fine particles are used, 2T Good orientation was confirmed at the above magnetic field strength.

このように、磁性成分を添加した場合には、より小さい磁場強度においても、良好な配向成形体が形成できることがわかった。   Thus, it has been found that when a magnetic component is added, a good alignment molded body can be formed even with a smaller magnetic field strength.

(実施例4)
実施例1において形成した成形体(試料1)と、実施例2において形成した成形体(試料3)を、920℃で12時間空気中にて焼結を行った。焼結は、高温強磁場熱処理装置を用いて、15Tの磁場を印加しながら焼結を行った。尚、磁場の印加方向は、配向成形体の磁化率の大きい方向と一致させた。
Example 4
The molded body (Sample 1) formed in Example 1 and the molded body (Sample 3) formed in Example 2 were sintered in air at 920 ° C. for 12 hours. Sintering was performed using a high temperature high magnetic field heat treatment apparatus while applying a 15 T magnetic field. In addition, the application direction of the magnetic field was matched with the direction in which the magnetic susceptibility of the oriented compact was large.

焼結後の両試料の微細組織を走査電子顕微鏡にて観察したところ、フェリ磁性成分を添加した試料(試料3)の方が、配向性が良好であった。このように、磁性成分を添加した場合には、焼結体においても、配向性が良好であった。   When the microstructures of both samples after sintering were observed with a scanning electron microscope, the sample (sample 3) to which the ferrimagnetic component was added had better orientation. Thus, when the magnetic component was added, the orientation was good even in the sintered body.

本発明の製造工程の一例を示したものである。An example of the manufacturing process of this invention is shown. 結晶の配向性を有していない熱電材料(多結晶体)の概念図である。It is a conceptual diagram of the thermoelectric material (polycrystal) which does not have the crystal orientation. 磁性微粒子ならびに熱電材料微粒子が磁化率の大きい方向に1軸配向した配向成形体の様子を示した概念図である。It is the conceptual diagram which showed the mode of the orientation molded object in which the magnetic fine particle and the thermoelectric material fine particle were uniaxially oriented in the direction with a large magnetic susceptibility.

符号の説明Explanation of symbols

a:熱電材料の結晶粒
b:磁性微粒子
c:熱電材料微粒子
S10:熱電材料微粒子の合成工程
S20:磁性成分の添加工程
S30:分散液作製の工程
S40:磁場中での成形工程
S50:磁場中熱処理の工程
a: Crystal grain of thermoelectric material b: Magnetic fine particle c: Thermoelectric material fine particle S10: Thermoelectric material fine particle synthesis step S20: Magnetic component addition step S30: Dispersion liquid preparation step S40: Molding step in magnetic field S50: In magnetic field Heat treatment process

Claims (2)

結晶が一定の方向に配向した配向熱電材料において、該配向熱電材料が少なくともフェリ磁性成分とともに反磁性成分を含有することを特徴とする配向熱電材料。 An oriented thermoelectric material in which crystals are oriented in a certain direction, wherein the oriented thermoelectric material contains at least a ferrimagnetic component and a diamagnetic component . 熱電材料を磁場中で成形して配向熱電材料を製造する配向熱電材料の製造方法において、前記熱電材料中に、フェリ磁性成分を添加する工程を具備したことを特徴とする配向熱電材料の製造方法。   An alignment thermoelectric material manufacturing method for forming an alignment thermoelectric material by forming a thermoelectric material in a magnetic field, comprising the step of adding a ferrimagnetic component to the thermoelectric material. .
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