JP7656911B2 - Thermoelectric material, its manufacturing method and thermoelectric generation element - Google Patents
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- Ceramic Products (AREA)
Description
本発明は、熱電材料、その製造方法およびその熱電発電素子に関する。 The present invention relates to a thermoelectric material, its manufacturing method, and its thermoelectric generating element.
世界の中で特に省エネルギーが進んだ我が国においてでも、廃熱回収においては、一次供給エネルギーの約3/4が熱エネルギーとして廃棄されているのが現状である。そのような状況の下、熱電変換素子は、熱エネルギーを回収して電気エネルギーに直接変換できる固体素子として注目されている。 Even in Japan, where energy conservation has progressed particularly well compared to other countries in the world, the current situation is that approximately three-quarters of the primary energy supply is discarded as thermal energy in waste heat recovery. Under these circumstances, thermoelectric conversion elements have attracted attention as solid-state elements that can recover thermal energy and convert it directly into electrical energy.
このような熱電変換素子に適用される熱電材料には、優れた熱電特性以外にも、低コストかつ無害な元素からなり、機械的特性および化学的安定性が求められている。このような熱電材料のうち珪化クロム(CrSi2)に代表される遷移金属シリサイドの研究が盛んである。非特許文献1によれば、六方晶である珪化クロム単結晶は、a軸に比べてc軸に沿った方向に高いパワーファクタを有することが知られている。しかしながら、珪化クロム多結晶においては、そのc軸方位の優位な特性を生かすことが出来ず、粒界でのフォノン散乱のために熱伝導率が高いため、ゼーベック係数が小さく、改善が求められている。 In addition to excellent thermoelectric properties, thermoelectric materials applied to such thermoelectric conversion elements are required to be made of low-cost and harmless elements, and to have mechanical properties and chemical stability. Among such thermoelectric materials, research on transition metal silicides, represented by chromium silicide (CrSi 2 ), has been active. According to Non-Patent Document 1, it is known that hexagonal chromium silicide single crystals have a higher power factor in the direction along the c-axis compared to the a-axis. However, in chromium silicide polycrystals, the advantageous properties of the c-axis orientation cannot be utilized, and the thermal conductivity is high due to phonon scattering at the grain boundaries, so the Seebeck coefficient is small, and improvement is required.
以上より、本発明の課題は、熱電特性に優れた珪化クロムを含有する多結晶からなる熱電材料、その製造方法および熱電発電素子を提供することである。 The objective of the present invention is to provide a thermoelectric material made of polycrystals containing chromium silicide with excellent thermoelectric properties, a manufacturing method thereof, and a thermoelectric generating element.
本発明による熱電材料は、珪化クロム(CrSi2)を主成分とする粒子からなる焼結体からなり、前記粒子はc軸方向に配向しており、これにより上記課題を解決する。
前記焼結体の厚さ方向におけるfL値(0003方向のLotgering Factor)は、0.5以上1以下の範囲を有してもよい。
前記fL値(0003方向のLotgering Factor)は、0.53以上0.95以下の範囲を有してもよい。
前記粒子の粒径は、0.5μm以上1.5μm以下の範囲を有してもよい。
前記焼結体の密度は、95%以上であってもよい。
前記珪化クロムのケイ素の一部は、ゲルマニウム(Ge)、バナジウム(V)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)および、銅(Cu)からなる群から選択される元素で置換されていてもよい。
前記珪化クロムのクロムの一部は、マンガン(Mn)およびレニウム(Re)からなる群から選択される元素で置換されていてもよい。
前記粒子は、クロムシリサイドである第二相をさらに含有してもよい。
前記第二相は、立方晶系の結晶構造を有し、P213の空間群に属してもよい。
前記第二相は、0mass%より多く6mass%以下の範囲で含有されていてもよい。
本発明のによる上記熱電材料の製造方法は、珪化クロム(CrSi2)を主成分とする原料粉末を溶媒に分散させて原料スラリーを調製することと、磁場を印加しながら、前記原料スラリーを固化成形し、成形体を形成することと、前記成形体を焼結することとを包含し、これにより上記課題を解決する。
前記溶媒は、ペンタン、ヘキサン、ヘプタンおよびオクタンからなる群から選択される脂肪族炭化水素、または、メタノール、エタノールおよびプロパノールからなる群から選択されるアルコールであってもよい。
前記原料粉末の粒径(メジアン径D50)は、350nm以上550nm以下の範囲であってもよい。
前記磁場は、8T以上14T以下の範囲であってもよい。
前記成形体を形成することは、スリップキャストを用いてもよい。
前記成形体の密度は、40%以上70%以下の範囲であってもよい。
前記焼結することは、前記成形体を1373K以上1773K以下の温度範囲で焼結してもよい。
前記焼結することに先立って、または、前記焼結することと同時に、前記成形体を加圧することをさらに包含してもよい。
本発明による交互に直列に接続されたp型熱電材料およびn型熱電材料を備える熱電発電素子は、前記p型熱電材料および/または前記n型熱電材料は、上記熱電材料であり、これにより上記課題を解決する。
The thermoelectric material according to the present invention is made of a sintered body made of grains containing chromium silicide (CrSi 2 ) as a main component, and the grains are oriented in the c-axis direction, thereby solving the above-mentioned problems.
The sintered body may have an fL value in the thickness direction (Lotgering factor in the 0003 direction) in the range of 0.5 or more and 1 or less.
The fL value (Lotgering Factor in the 0003 direction) may be in the range of 0.53 to 0.95.
The particle size may be in the range of 0.5 μm to 1.5 μm.
The density of the sintered body may be 95% or more.
A portion of the silicon in the chromium silicide may be substituted with an element selected from the group consisting of germanium (Ge), vanadium (V), aluminum (Al), zirconium (Zr), niobium (Nb), and copper (Cu).
A portion of the chromium in the chromium silicide may be substituted with an element selected from the group consisting of manganese (Mn) and rhenium (Re).
The particles may further contain a second phase which is a chromium silicide.
The second phase may have a cubic crystal structure and belong to the P213 space group.
The second phase may be contained in an amount of more than 0 mass % to 6 mass %.
The method for manufacturing the above-mentioned thermoelectric material according to the present invention includes dispersing a raw material powder mainly composed of chromium silicide ( CrSi2 ) in a solvent to prepare a raw material slurry, solidifying and molding the raw material slurry while applying a magnetic field to form a molded body, and sintering the molded body, thereby solving the above-mentioned problems.
The solvent may be an aliphatic hydrocarbon selected from the group consisting of pentane, hexane, heptane and octane, or an alcohol selected from the group consisting of methanol, ethanol and propanol.
The particle size (median diameter D50) of the raw material powder may be in the range of 350 nm to 550 nm.
The magnetic field may be in the range of 8T to 14T.
The forming of the compact may be performed by slip casting.
The density of the compact may be in the range of 40% to 70%.
The sintering may be performed at a temperature in the range of 1373K or more and 1773K or less.
The method may further include pressing the green body prior to or simultaneously with the sintering.
The thermoelectric power generation element according to the present invention includes p-type thermoelectric materials and n-type thermoelectric materials alternately connected in series, and the p-type thermoelectric materials and/or the n-type thermoelectric materials are the above-mentioned thermoelectric materials, thereby solving the above-mentioned problems.
本発明の熱電材料は、珪化クロム(CrSi2)を主成分とする粒子からなる焼結体からなり、粒子はc軸方向に配向していることを特徴とする。c軸配向しているため、珪化クロムの単結晶と同等のパワーファクタを達成できる。このような焼結体からなる熱電材料は、熱電変換素子に適用される。 The thermoelectric material of the present invention is made of a sintered body made of grains mainly composed of chromium silicide ( CrSi2 ), and is characterized in that the grains are oriented in the c-axis direction. Because of the c-axis orientation, it is possible to achieve a power factor equivalent to that of a single crystal of chromium silicide. A thermoelectric material made of such a sintered body is applied to a thermoelectric conversion element.
本発明の熱電材料の製造方法は、珪化クロム(CrSi2)を主成分とする原料粉末を溶媒に分散させて原料スラリーを調製することと、磁場を印加しながら、原料スラリーを成形し、成形体を形成することと、成形体を焼結することとを包含する。磁場を印加することにより、磁場印加方向と平行方向に粒子がc軸方向に配向する。単結晶育成技術を不要とし、磁場を印加するだけで、単結晶と同等の熱電特性を有する焼結体が得られるため、製造コストを削減でき、有利である。 The method for producing a thermoelectric material of the present invention includes dispersing a raw material powder mainly composed of chromium silicide ( CrSi2 ) in a solvent to prepare a raw material slurry, molding the raw material slurry while applying a magnetic field to form a compact, and sintering the compact. By applying a magnetic field, the particles are oriented in the c-axis direction parallel to the direction of the magnetic field application. This method does not require single crystal growth technology, and a sintered body having thermoelectric properties equivalent to those of a single crystal can be obtained simply by applying a magnetic field, which is advantageous in that it reduces production costs.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that like elements are given like numbers and their description will be omitted.
(実施の形態1)
実施の形態1では、本発明の熱電材料およびその製造方法について説明する。
図1は、本発明の熱電材料を示す模式図である。
(Embodiment 1)
In the first embodiment, a thermoelectric material and a method for producing the same according to the present invention will be described.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a thermoelectric material of the present invention.
本発明の熱電材料は、珪化クロム(CrSi2)を主成分とする粒子110からなる焼結体100からなる。珪化クロムは、低コストかつ無害な元素からなる熱電材料として知られている。さらに、本発明の熱電材料は、粒子110が、図1に示すように、c軸方向に配向している。このように焼結体100でありながらも、粒子110がc軸配向しているため、珪化クロムのバルク単結晶と同等のパワーファクタを達成できる。以降で詳細に説明する。 The thermoelectric material of the present invention is made of a sintered body 100 made of particles 110 mainly composed of chromium silicide (CrSi 2 ). Chromium silicide is known as a thermoelectric material made of a low-cost and harmless element. Furthermore, in the thermoelectric material of the present invention, the particles 110 are oriented in the c-axis direction as shown in FIG. 1 . Thus, even though it is a sintered body 100, since the particles 110 are oriented in the c-axis direction, it is possible to achieve a power factor equivalent to that of a bulk single crystal of chromium silicide. This will be described in detail below.
ここで、珪化クロム結晶は、六方晶系に属し、P6222空間群(International Tables for Crystallographyの180番目の空間群)に属し、表1に示す結晶構造パラメータ(原子座標位置)を占める。 Here, the chromium silicide crystal belongs to the hexagonal crystal system, belongs to the P6 2 22 space group (the 180th space group of the International Tables for Crystallography), and has the crystal structure parameters (atomic coordinate positions) shown in Table 1.
粒子110は、珪化クロム単相の単結晶であってもよいし、珪化クロムを母相とし、これにドーパントが添加された単結晶であってもよい。欠陥等によりCrとSiとの組成が化学量論比からわずかにずれていたり、クロム(Cr)やケイ素(Si)の一部が他の元素で置換されたりすると、格子定数は変化するが、結晶構造と、原子が占めるサイトおよびその座標によって与えられる原子位置とは、骨格原子間の化学結合が切れるほどに大きく変わることがない。したがって、対象とする焼結体のX線回折や中性子線回折の結果をP6222空間群でLa Bail解析して求めた格子定数と原子座標とから計算されたCr-Siの化学結合(近接原子間距離)の長さが、表1に示す結晶の格子定数と原子座標とから計算されたそれと比べた±5%以内の場合は、珪化クロムを主成分とする粒子110からなる焼結体100と判定してよい。 The particles 110 may be a single crystal of a single phase of chromium silicide, or may be a single crystal in which a dopant is added to a parent phase of chromium silicide. If the composition of Cr and Si is slightly deviated from the stoichiometric ratio due to defects or the like, or if a part of chromium (Cr) or silicon (Si) is replaced with another element, the lattice constant changes, but the crystal structure and the atomic positions given by the sites occupied by the atoms and their coordinates do not change so much that the chemical bonds between the skeletal atoms are broken. Therefore, if the length of the Cr-Si chemical bond (nearest atom distance) calculated from the lattice constant and atomic coordinates obtained by La Bail analysis of the results of X-ray diffraction or neutron diffraction of the target sintered body in the P6 2 22 space group is within ±5% of the length calculated from the lattice constant and atomic coordinates of the crystal shown in Table 1, the sintered body 100 may be determined to be made of particles 110 containing chromium silicide as the main component.
組成ずれや添加量(置換量)が小さい場合は、簡便には、対象とする焼結体について測定したX線回折結果から計算した格子定数と表1の結晶構造データを用いて計算した回折のピーク位置(2θ)が主要ピーク(例えば、8本)について一致したときにCrSi2の結晶構造と同じであると特定することができる。 When the composition deviation or the amount of addition (substitution amount) is small, it can be easily determined that the crystal structure is the same as that of CrSi2 when the lattice constant calculated from the X-ray diffraction result measured on the target sintered body and the diffraction peak position (2θ) calculated using the crystal structure data in Table 1 match for the main peaks (e.g., eight peaks).
粒子110がアンドープの珪化クロム単結晶からなる場合、p型半導体となり、p型熱電材料として機能するが、キャリア濃度の調整のために、珪化クロムのSiの一部をゲルマニウム(Ge)、バナジウム(V)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)および、銅(Cu)からなる群から選択される元素で置換してもよい。これにより、ゼーベック係数を増大させることができる。中でもGeが好ましい。添加量は、結晶構造が変わらない範囲で適宜調整されるが、例示的には、0.5at%以上5at%以下の範囲であってよい。この範囲であれば、キャリア濃度の調整が容易である。 When the particles 110 are made of undoped chromium silicide single crystals, they become p-type semiconductors and function as p-type thermoelectric materials, but in order to adjust the carrier concentration, some of the Si in the chromium silicide may be replaced with an element selected from the group consisting of germanium (Ge), vanadium (V), aluminum (Al), zirconium (Zr), niobium (Nb), and copper (Cu). This can increase the Seebeck coefficient. Among these, Ge is preferable. The amount of addition is appropriately adjusted within a range that does not change the crystal structure, and may be, for example, in the range of 0.5 at% to 5 at%. Within this range, it is easy to adjust the carrier concentration.
一方、珪化クロムのCrの一部をマンガン(Mn)およびレニウム(Re)からなる群から選択される元素で置換してもよい。これにより、粒子110はn型半導体となり、n型熱電材料として機能する。中でも、Mnが好ましい。添加量は、結晶構造が変わらない範囲で適宜調整されるが、例示的には、15at%以上25at%以下の範囲であってよい。この範囲であれば、n型半導体となり、高いゼーベック係数が得られやすい。 On the other hand, a part of the Cr in the chromium silicide may be replaced with an element selected from the group consisting of manganese (Mn) and rhenium (Re). This makes the particles 110 an n-type semiconductor and functions as an n-type thermoelectric material. Of these, Mn is preferred. The amount of addition is appropriately adjusted within a range that does not change the crystal structure, but may be, for example, in the range of 15 at% to 25 at%. Within this range, it becomes an n-type semiconductor and is easy to obtain a high Seebeck coefficient.
粒子110は、好ましくは、ドープド/アンドープドの珪化クロム単相からなるが、熱電特性を阻害しない範囲で、第二相を含んでもよい。このような第二相には、CrとSiとを含有するクロムシリサイドがあるが、好ましくは、立方晶系の結晶構造を有する空間群P213であるCrSiである。CrSiは、珪化クロムの熱電特性を阻害しないため、好ましい。このように、製造時に生成される第二相としてクロムシリサイドが許容されるので、製造条件が緩和され、歩留まり向上に有利である。 The particles 110 are preferably composed of a single phase of doped/undoped chromium silicide, but may contain a second phase to the extent that the thermoelectric properties are not impaired. Such a second phase may be a chromium silicide containing Cr and Si, and is preferably CrSi, which is a space group P213 having a cubic crystal structure. CrSi is preferred because it does not impair the thermoelectric properties of chromium silicide. In this way, chromium silicide is permitted as a second phase generated during manufacturing, which is advantageous in terms of easing manufacturing conditions and improving yields.
粒子110に含有される第二相の含有量は、好ましくは、0mass%より多く15mass%以下である。この範囲であれば、熱電特性を阻害しない。第二相の含有量は、さらに好ましくは、0mass%より多く10mass%以下の範囲であり、なお好ましくは、0mass%より多く6mass%以下の範囲であり、なおさらに好ましくは、1mass%以上5mass%以下の範囲である。本願明細書において、含有量は、X線回折パターンをリートベルト解析することにより算出される。このような観点から、本願明細書において、焼結体100における珪化クロムの主成分とする量は、85mass%より多く、好ましくは、90mass%以上、より好ましくは94mass%より多い。 The content of the second phase contained in the particles 110 is preferably more than 0 mass% and not more than 15 mass%. This range does not impair the thermoelectric properties. The content of the second phase is more preferably more than 0 mass% and not more than 10 mass%, even more preferably more than 0 mass% and not more than 6 mass%, and even more preferably 1 mass% or more and not more than 5 mass%. In this specification, the content is calculated by Rietveld analysis of the X-ray diffraction pattern. From this perspective, in this specification, the amount of chromium silicide as the main component in the sintered body 100 is more than 85 mass%, preferably more than 90 mass%, and more preferably more than 94 mass%.
粒子110の粒径に特に制限はないが、好ましくは、0.5μm以上1.5μm以下の範囲である。この範囲であれば、粒子100が効率よくc軸配向し得る。なお好ましくは、粒子110の粒径は、0.85μmより大きく1.0μm以下の範囲である。なおさらに好ましくは、粒子110の粒径は、0.88μm以上0.92μm以下の範囲である。本願明細書において、粒径は、走査型電子顕微鏡などの電子顕微鏡を用いた、電子後方散乱回折法(EBSD)により、結晶粒の面積から等価円直径として算出される。なお、結晶粒の面積は、測定時のステップ幅と結晶粒内のデータ点数から算出される。 The particle size of the particles 110 is not particularly limited, but is preferably in the range of 0.5 μm to 1.5 μm. In this range, the particles 100 can be efficiently c-axis oriented. More preferably, the particle size of the particles 110 is in the range of more than 0.85 μm to 1.0 μm. Even more preferably, the particle size of the particles 110 is in the range of 0.88 μm to 0.92 μm. In this specification, the particle size is calculated as the equivalent circle diameter from the area of the crystal grain by electron backscatter diffraction (EBSD) using an electron microscope such as a scanning electron microscope. The area of the crystal grain is calculated from the step width during measurement and the number of data points within the crystal grain.
本発明の焼結体100は、粒子110がc軸配向していることを特徴とするが、本願明細書において、c軸配向しているとは、研磨した焼結体についてX線回折測定をした際に得られるX線回折パターンにおいて、(0003)面に相当するピークのピーク強度がもっとも高いことをいう。 The sintered body 100 of the present invention is characterized in that the particles 110 are c-axis oriented. In this specification, c-axis orientation means that the peak intensity of the peak corresponding to the (0003) plane is the highest in the X-ray diffraction pattern obtained when X-ray diffraction measurement is performed on the polished sintered body.
本発明の焼結体100において、好ましくは、焼結体100の厚さ方向におけるfL値(0003方向のLotgering Factor)が、0.5以上1以下の範囲を有する。この範囲を満たすように粒子110がc軸配向すると、パワーファクタが大きく、優れた熱電特性が得られる。より好ましくは、結体100の厚さ方向におけるfL値は、0.53以上0.95以下の範囲を有する。この範囲であれば、パワーファクタが大きく、特に優れた熱電特性が得られる。 In the sintered body 100 of the present invention, the fL value (Lotgering factor in the 0003 direction) in the thickness direction of the sintered body 100 is preferably in the range of 0.5 to 1. When the particles 110 are c-axis oriented so as to satisfy this range, the power factor is large and excellent thermoelectric properties are obtained. More preferably, the fL value in the thickness direction of the sintered body 100 is in the range of 0.53 to 0.95. Within this range, the power factor is large and particularly excellent thermoelectric properties are obtained.
fL値は、次式によって算出される。
fL=(P-P0)/(1-P0)
P0=(ΣI0(000m))/(ΣI0(hklm))
P=(ΣI(000m))/(ΣI(hklm))
ここで、ΣI0(000m)は、対象とする焼結体のXRD測定範囲の2θが20~100°の範囲において全回折面のうち(0003)および(0006)の回折面のピーク強度の測定値の合計であり、ΣI0(hklm)は、対象とする焼結体の全回折面のピーク強度の測定値の合計である。ΣI(000m)は、標準試料の全回折面のうち(0003)および(0006)の回折面のピーク強度の計算値であり、ΣI0(hklm)は、標準試料の全回折面のピーク強度の計算値の合計である。標準試料は、粉末試料やICDDカードであってよい。例えば、多結晶粉末であれば、fL=0(P=P0)となり、単結晶であれば、fL=1(P=1)であるが、多結晶であっても全ての結晶粒のc軸のブレが小さい(例えば10度以内)であれば、fL=1を達成し得る。しかしながら、fL=1を満たす多結晶であっても、別方向から測定したXRDパターンは、単結晶のそれとは異なることから、多結晶と単結晶との区別は容易につく。
The fL value is calculated by the following formula:
f L = (P-P 0 )/(1-P 0 )
P 0 = (ΣI 0 (000m))/(ΣI 0 (hklm))
P=(ΣI(000m))/(ΣI(hklm))
Here, ΣI 0 (000m) is the sum of the measured peak intensities of the (0003) and (0006) diffraction planes among all diffraction planes in the XRD measurement range of the sintered body of interest, where 2θ is in the range of 20 to 100°, and ΣI 0 (hklm) is the sum of the measured peak intensities of all diffraction planes of the sintered body of interest. ΣI (000m) is the calculated peak intensities of the (0003) and (0006) diffraction planes among all diffraction planes of the standard sample, and ΣI 0 (hklm) is the sum of the calculated peak intensities of all diffraction planes of the standard sample. The standard sample may be a powder sample or an ICDD card. For example, if it is a polycrystalline powder, f L =0 (P=P 0 ), and if it is a single crystal, f L =1 (P=1), but even if it is a polycrystalline, if the deviation of the c-axis of all crystal grains is small (for example, within 10 degrees), f L =1 can be achieved. However, even in the case of a polycrystal that satisfies f L =1, the XRD pattern measured from another direction differs from that of a single crystal, and therefore it is easy to distinguish between the polycrystal and the single crystal.
このように、本願発明者らは、珪化クロム(Cr2Si)のバルク単結晶でなくても、上述の範囲でc軸配向した珪化クロムの焼結体であれば、バルク単結晶に匹敵する優れた熱電特性が得られることを見出した。これにより、バルク単結晶育成のような高度な技術および高価な装置を不要とできるので、本発明の焼結体100からなる熱電材料は極めて有効である。 In this way, the inventors of the present application have found that even if the chromium silicide ( Cr2Si ) bulk single crystal is not used, a chromium silicide sintered body having a c-axis orientation within the above-mentioned range can provide excellent thermoelectric properties comparable to those of a bulk single crystal. This makes it possible to eliminate the need for advanced techniques and expensive equipment required for bulk single crystal growth, making the thermoelectric material made of the sintered body 100 of the present invention extremely effective.
本発明の焼結体100の焼結密度に特に制限はないが、好ましくは、95%以上である。これにより、粒子110間のボイドや空孔が少なく、高い熱電特性が得られる。焼結密度は、より好ましくは、96%以上、なお好ましくは98%以上である。なお、本願明細書の焼結密度は、アルキメデス法によって測定され真密度に対する百分率(相対密度)で表す。 The sintered density of the sintered body 100 of the present invention is not particularly limited, but is preferably 95% or more. This reduces the number of voids and holes between the particles 110, resulting in high thermoelectric properties. The sintered density is more preferably 96% or more, and even more preferably 98% or more. Note that the sintered density in this specification is measured by the Archimedes method and is expressed as a percentage (relative density) of the true density.
次に、本発明の焼結体100からなる熱電材料の製造方法を説明する。
図2は、本発明の熱電材料の製造工程を示すフローチャートである。
Next, a method for producing a thermoelectric material made of the sintered body 100 of the present invention will be described.
FIG. 2 is a flow chart showing the steps of manufacturing the thermoelectric material of the present invention.
本発明の焼結体100からなる熱電材料は、以下のステップS210~S230によって得られる。
ステップS210:珪化クロム(CrSi2)を主成分とする原料粉末を溶媒に分散させて原料スラリーを調製する。
ステップS220:磁場を印加しながら、原料スラリーを固化成形し、成形体を形成する。
ステップS230:成形体を焼結する。
ステップS220において、磁場を印加することにより、単結晶粒子からなる原料粉末は、それぞれのc軸が磁場印加方向と平行となるように配向する。このようにして得られた成形体をステップS230で焼結するため、上述した焼結体100が得られる。以降では、各ステップを詳細に説明する。
A thermoelectric material made of the sintered body 100 of the present invention is obtained by the following steps S210 to S230.
Step S210: A raw material powder containing chromium silicide (CrSi 2 ) as a main component is dispersed in a solvent to prepare a raw material slurry.
Step S220: The raw material slurry is solidified and molded while a magnetic field is applied to form a molded body.
Step S230: Sinter the compact.
In step S220, a magnetic field is applied, so that the raw material powder consisting of single crystal particles is oriented so that their c-axes are parallel to the direction of the applied magnetic field. The compact thus obtained is sintered in step S230, so that the above-mentioned sintered body 100 is obtained. Each step will be described in detail below.
ステップS210において、珪化クロムを主成分とする原料粉末は、それぞれの粒子が単結晶から構成されており、図1を参照して説明した珪化クロムである。また、原料粉末は、Siの一部がGe等の他の元素で置換されている、または、Crの一部がMn等の他の元素で置換されている珪化クロムであってもよい。添加量(置換量)については上述したとおりである。 In step S210, the raw powder mainly composed of chromium silicide has each particle composed of a single crystal, and is the chromium silicide described with reference to FIG. 1. The raw powder may also be chromium silicide in which some of the Si has been replaced with other elements such as Ge, or in which some of the Cr has been replaced with other elements such as Mn. The amount of addition (substitution amount) is as described above.
ステップS210において、原料スラリー中の原料粉末の含有量は、好ましくは、10mass%以上30mass%以下の範囲である。この範囲であれば、原料粉末が良好に分散し得る。原料粉末の含有量は、より好ましくは、15mass%以上25mass%以下の範囲である。 In step S210, the content of the raw powder in the raw slurry is preferably in the range of 10 mass% to 30 mass%. In this range, the raw powder can be dispersed well. The content of the raw powder is more preferably in the range of 15 mass% to 25 mass%.
原料粉末の粒径(メジアン径D50)は、好ましくは、350nm以上550nm以下の範囲である。この範囲であれば、原料粉末は溶媒に良好に分散し得、後述のステップS220においてc軸配向しやすい。原料粉末の粒径(メジアン径D50)は、より好ましくは、380nm以上425nm以下の範囲である。 The particle size (median diameter D50) of the raw material powder is preferably in the range of 350 nm to 550 nm. In this range, the raw material powder can be well dispersed in the solvent, and the c-axis orientation is easily achieved in step S220 described below. The particle size (median diameter D50) of the raw material powder is more preferably in the range of 380 nm to 425 nm.
ステップS210において、溶媒は、原料粉末が分散する限り特に制限はないが、粘性が低く、珪化クロムと反応性がないものが選ばれる。溶媒は、好ましくは、ペンタン、ヘキサン、ヘプタンおよびオクタンからなる群から選択される脂肪族炭化水素、または、メタノール、エタノールおよびプロパノールからなる群から選択されるアルコールである。これらの溶媒は、原料粉末の分散を促進し得る。中でも、エタノール等のアルコールが好ましい。 In step S210, the solvent is not particularly limited as long as the raw material powder can be dispersed in it, but a solvent with low viscosity and no reactivity with chromium silicide is selected. The solvent is preferably an aliphatic hydrocarbon selected from the group consisting of pentane, hexane, heptane, and octane, or an alcohol selected from the group consisting of methanol, ethanol, and propanol. These solvents can promote the dispersion of the raw material powder. Among them, alcohol such as ethanol is preferred.
ステップS210において、ポリカチオン性ポリマーまたはポリアニオン性ポリマーをさらに添加してよい。これにより、原料粉末の粒子がポリマーで被覆され、粒子同士が静電反発により良好に分散される。その結果、ステップS220において、磁場の印加により、粒子の回転が促進され、fL値が0.5以上のc軸配向した焼結体が得られ得る。 In step S210, a polycationic polymer or a polyanionic polymer may be further added. This causes the particles of the raw material powder to be coated with the polymer, and the particles are well dispersed by electrostatic repulsion. As a result, in step S220, the rotation of the particles is promoted by application of a magnetic field, and a c-axis-oriented sintered body with an fL value of 0.5 or more can be obtained.
ポリカチオン性ポリマーには、例えば、リアルキルアミン(PAM)、ポリエチレンイミン(PEI)、ポリリシン(PL)、ポリペプチド、キトサン、多糖、または、それらのコポリマーなどがある。ポリアニオン性ポリマーには、ポリカルボン酸アンモニウム、ポリスチレンスルホネート、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリビニルスルフェート、ポリホスフェート、カラギーナン、ゲランガム、カルボキシルメチルセルロース、カルボキシルメチルアガロース、カルボキシルメチルデキストラン、カルボキシルメチルキチン、カルボキシルメチルキトサン、カルボキシルメチル基で修飾されたポリマー、アルギネートなどがある。 Examples of polycationic polymers include trialkylamines (PAM), polyethyleneimines (PEI), polylysines (PL), polypeptides, chitosan, polysaccharides, or copolymers thereof. Examples of polyanionic polymers include ammonium polycarboxylates, polystyrene sulfonates, polyacrylates, polymethacrylates, polyvinyl sulfates, polyphosphates, carrageenans, gellan gums, carboxymethyl celluloses, carboxymethyl agaroses, carboxymethyl dextran, carboxymethyl chitins, carboxymethyl chitosans, polymers modified with carboxymethyl groups, and alginates.
ポリカチオン性ポリマーまたはポリアニオン性ポリマーの添加量は、例示的には、0mass%より多く5mass%以下の範囲であってよく、好ましくは、0mass%より多く1mass%以下の範囲であり、より好ましくは、0mass%より多く0.5mass%以下の範囲である。これにより、fL値が0.53以上0.95以下の範囲を満たす焼結体が得られる。 The amount of the polycationic polymer or polyanionic polymer added may be, for example, in the range of more than 0 mass% to 5 mass% or less, preferably in the range of more than 0 mass% to 1 mass% or less, and more preferably in the range of more than 0 mass% to 0.5 mass% or less. This allows a sintered body to be obtained whose fL value satisfies the range of 0.53 to 0.95.
ステップS210において、原料スラリーに酸またはアルカリを添加してもよい。これにより、粒子がさらに良好に分散する。 In step S210, an acid or alkali may be added to the raw slurry. This allows the particles to disperse even better.
ステップS220では、磁場中で原料スラリーが固化成形され、成形体が得られるが、印加される磁場は、好ましくは、8T(テスラ)以上14T以下の範囲である。この範囲であれば粒子の回転を促進し得る。印加される磁場は、より好ましくは、10T以上14T以下の範囲である。この範囲であれば、粒子は回転し、c軸配向がさらに促進される。 In step S220, the raw material slurry is solidified and molded in a magnetic field to obtain a molded body. The magnetic field applied is preferably in the range of 8 T (tesla) or more and 14 T or less. This range can promote rotation of the particles. The magnetic field applied is more preferably in the range of 10 T or more and 14 T or less. This range causes the particles to rotate, further promoting c-axis orientation.
ステップS220において、磁場の印加方向については、重力と平行な方向、重力に対して垂直な方向等任意の方向を選択することができる。これにより、成形の方向や形状に限定されることなく、磁場の印加方法に対応した配向方向とすることができる。 In step S220, the direction of the magnetic field application can be selected from any direction, such as a direction parallel to gravity or a direction perpendicular to gravity. This allows the orientation direction to correspond to the method of applying the magnetic field, without being limited by the molding direction or shape.
ステップS220において、固化形成には種々の手法が適宜採用されてよい。固化成形の手法には、スリップキャスト、プレッシャーフィルトレーション、テープキャスト、電気泳動堆積などがある。中でも、良好にc軸配向した成形体が得られるとともに、形状に制限がない観点からスリップキャストが好ましい。スリップキャストを採用すれば、複雑な形状に対しても、任意の方向に磁場を印加できるので、任意の方向にc軸配向した焼結体を得ることができる。 In step S220, various methods may be appropriately employed for solidification. Methods for solidification include slip casting, pressure filtration, tape casting, and electrophoretic deposition. Among these, slip casting is preferred because it produces a molded body with good c-axis orientation and there are no limitations on the shape. By employing slip casting, a magnetic field can be applied in any direction, even for complex shapes, so that a sintered body with c-axis orientation in any direction can be obtained.
ステップS220において、成形体の密度は、好ましくは、40%以上70%以下の範囲を満たす。これにより、続くステップS230の焼結によって、96%以上の焼結密度を有する焼結体が得られる。成形体の密度は、アルキメデス法によって測定される。 In step S220, the density of the compact is preferably in the range of 40% to 70%. As a result, a sintered body having a sintered density of 96% or more is obtained by sintering in the subsequent step S230. The density of the compact is measured by the Archimedes method.
ステップS220に続いて、成形体を加圧してもよい。加圧には、例えば、冷間等方圧加圧装置(CIP)を用いてよい。これにより、続くステップS230の焼結により、高密度な焼結体が得られ得る。 Following step S220, the compact may be pressurized. For example, a cold isostatic press (CIP) may be used for the pressurization. This allows a high-density sintered body to be obtained by the subsequent sintering step S230.
ステップS230において、成形体の焼結は、好ましくは、1373K以上1773K以下の温度範囲で行われる。この範囲であれば、粒子が粒成長し、高密度な焼結体が得られる。焼結は、より好ましくは、1423K以上1623K以下の温度範囲で行われる。この範囲であれば、粒子の粒成長を促進し、より高密度な焼結体が得られる。 In step S230, the sintering of the compact is preferably carried out in a temperature range of 1373K or more and 1773K or less. In this range, the particles grow and a high-density sintered body is obtained. More preferably, the sintering is carried out in a temperature range of 1423K or more and 1623K or less. In this range, the particles grow and a high-density sintered body is obtained.
ステップS230において、焼結の手法は特に制限はなく、放電プラズマ焼結(SPS)、常圧焼結、ホットプレス(HP)焼結、および、熱間静水圧加圧(HIP)焼結を適宜採用できる。焼結時間は、焼結手法によって異なるが、例えば、放電プラズマ焼結(SPS)を用いた場合には、5分以上30分以下であってよい。 In step S230, the sintering method is not particularly limited, and spark plasma sintering (SPS), atmospheric sintering, hot press (HP) sintering, and hot isostatic pressing (HIP) sintering can be appropriately used. The sintering time varies depending on the sintering method, but may be, for example, 5 minutes or more and 30 minutes or less when spark plasma sintering (SPS) is used.
ステップS230において、HP焼結やHIP焼結を採用できるように、成形体を加圧ながら焼結してもよい。これにより、より高密度な焼結体が得られ得る。
以上のようにして本発明の焼結体100からなる熱電材料が得られる。
In step S230, the compact may be sintered under pressure so that HP sintering or HIP sintering can be adopted, whereby a sintered body with higher density can be obtained.
In this manner, a thermoelectric material made of the sintered body 100 of the present invention is obtained.
(実施の形態2)
実施の形態2では、本発明の熱電材料を用いた熱電変換素子について説明する。
図3は、本発明の熱電変換素子を示す模式図である。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a thermoelectric conversion element using the thermoelectric material of the present invention will be described.
FIG. 3 is a schematic diagram showing a thermoelectric conversion element of the present invention.
本発明による熱電発電素子300は、一対のn型熱電材料310およびp型熱電材料320、ならびに、これらのそれぞれの端部に電極330、340を含む。電極330、340により、n型熱電材料310およびp型熱電材料320は、電気的に直列に接続される。 The thermoelectric generating element 300 according to the present invention includes a pair of n-type thermoelectric material 310 and p-type thermoelectric material 320, and electrodes 330, 340 at their respective ends. The electrodes 330, 340 electrically connect the n-type thermoelectric material 310 and the p-type thermoelectric material 320 in series.
ここで、p型熱電材料310および/またはn型熱電材料320は、実施の形態1で説明した本発明の熱電材料100である。p型、n型ともに、本発明の熱電材料を使用する場合には、キャリアタイプの異なるもの、または、キャリアタイプが同じであっても互いにゼーベック係数が異なるものを採用すればよい。 Here, the p-type thermoelectric material 310 and/or the n-type thermoelectric material 320 are the thermoelectric material 100 of the present invention described in embodiment 1. When using the thermoelectric material of the present invention for both the p-type and n-type, it is sufficient to use materials with different carrier types, or materials with the same carrier type but different Seebeck coefficients.
あるいは、p型熱電材料310として本発明の熱電材料を採用する場合、300K以上773Kにおいて熱電性能の高い、MgSi系、ZnSb系、ZnO系等のn型熱電材料を採用できる。MgSi系の例示的な組成は、例えば、Mg2Si0.4Sn0.6、Mg2Si0.37Sn0.6B0.03である。SiGeの例示的な組成は、例えば、Si0.8Ge0.2である。ZnOの例示的な組成は、例えば、Zn0.98Al0.02Oである。 Alternatively, when the thermoelectric material of the present invention is used as the p-type thermoelectric material 310, an n-type thermoelectric material such as MgSi-based, ZnSb-based, or ZnO-based, which has high thermoelectric performance at 300K or higher and 773K , can be used. Exemplary compositions of MgSi-based materials are, for example, Mg2Si0.4Sn0.6 and Mg2Si0.37Sn0.6B0.03 . Exemplary compositions of SiGe are, for example, Si0.8Ge0.2 . Exemplary compositions of ZnO are, for example , Zn0.98Al0.02O .
あるいは、n型熱電材料320として本発明の熱電材料を採用する場合、300K以上773Kにおいて熱電性能の高い、BiSbTe系、MgAgSb系、AgSbSe系等のp型熱電材料が挙げられる。BiSbTe系の例示的な組成は、例えば、Bi0.5Sb1.5Te3、Bi0.4Sb1.6Te3である。MgAgSb系の例示的な組成は、例えば、MgAgSb、MgAg0.965Ni0.005Sb0.99である。AgSbSe系の例示的な組成は、例えば、AgSbSe2である。これらは例示であって限定されないことに留意されたい。 Alternatively, when the thermoelectric material of the present invention is used as the n-type thermoelectric material 320, p-type thermoelectric materials having high thermoelectric performance at 300K to 773K, such as BiSbTe-based, MgAgSb- based , and AgSbSe- based materials , can be used. Exemplary compositions of the BiSbTe-based materials are, for example, Bi0.5Sb1.5Te3 and Bi0.4Sb1.6Te3 . Exemplary compositions of the MgAgSb-based materials are, for example, MgAgSb and MgAg0.965Ni0.005Sb0.99 . Exemplary compositions of the AgSbSe-based materials are, for example, AgSbSe2 . It should be noted that these are merely examples and are not limiting.
電極330、340は、通常の電極材料であり得るが、例示的には、Fe、Ag、Al、Ni、Cu等である。ここで、電極330、340は、本発明の熱電材料のc軸方向に対して垂直となるよう設けられている。これにより、焼結体でありながらも、バルク単結晶に匹敵する優れた珪化クロムの熱電性能を発揮できる。 The electrodes 330, 340 can be made of a normal electrode material, illustratively Fe, Ag, Al, Ni, Cu, etc. Here, the electrodes 330, 340 are arranged perpendicular to the c-axis direction of the thermoelectric material of the present invention. This allows the sintered body to exhibit excellent thermoelectric performance of chromium silicide comparable to that of a bulk single crystal.
図3では、低温となる側の電極340に半田等によってn型熱電材料310からなるチップが接合され、n型熱電材料310のチップの反対側の端部と、高温となる側の電極330とが半田等によって接合されている様子が示される。同様に、高温側となる側の電極330に半田等によってp型熱電材料320からなるチップが接合され、p型熱電材料320のチップの反対側の端部と、低温となる側の電極340とが半田等によって接合されている様子が示される。 In FIG. 3, a chip made of n-type thermoelectric material 310 is joined by solder or the like to electrode 340 on the low-temperature side, and the opposite end of the chip of n-type thermoelectric material 310 is joined by solder or the like to electrode 330 on the high-temperature side. Similarly, a chip made of p-type thermoelectric material 320 is joined by solder or the like to electrode 330 on the high-temperature side, and the opposite end of the chip of p-type thermoelectric material 320 is joined by solder or the like to electrode 340 on the low-temperature side.
電極330が高温、電極340が、電極330に比べて低温となるような環境に、本発明の熱電発電素子300を設置して、端部の電極を電気回路等に接続すると、ゼーベック効果によって電圧が発生し、図3の矢印で示すように、電極340、n型熱電材料310、電極330、p型熱電材料320の順で電流が流れる。詳細には、n型熱電材料310内の電子が、高温側の電極330から熱エネルギーを得て、低温側の電極340へ移動し、そこで熱エネルギーを放出し、それに対して、p型熱電材料320の正孔が高温側の電極330から熱エネルギーを得て、低温側の電極340へ移動して、そこで熱エネルギーを放出するという原理によって電流が流れる。 When the thermoelectric generating element 300 of the present invention is placed in an environment where the electrode 330 is at a high temperature and the electrode 340 is at a low temperature compared to the electrode 330, and the end electrodes are connected to an electric circuit, a voltage is generated by the Seebeck effect, and as shown by the arrows in Figure 3, a current flows in the order of the electrode 340, the n-type thermoelectric material 310, the electrode 330, and the p-type thermoelectric material 320. In detail, the electrons in the n-type thermoelectric material 310 obtain thermal energy from the high-temperature electrode 330, move to the low-temperature electrode 340, and release the thermal energy there, while the holes in the p-type thermoelectric material 320 obtain thermal energy from the high-temperature electrode 330, move to the low-temperature electrode 340, and release the thermal energy there. This is the principle by which a current flows.
図3では、π型の熱電発電素子を用いて説明したが、本発明の熱電材料は、U字型熱電発電素子(図示せず)に用いてもよい。この場合も同様に、本発明の熱電材料からなるn型熱電材料およびp型熱電材料が、交互に電気的に直列に接続されて構成される。 In FIG. 3, a π-type thermoelectric generating element is used for explanation, but the thermoelectric material of the present invention may also be used in a U-type thermoelectric generating element (not shown). In this case as well, n-type thermoelectric material and p-type thermoelectric material made of the thermoelectric material of the present invention are alternately connected electrically in series.
次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。 The present invention will now be described in detail using specific examples, but please note that the present invention is not limited to these examples.
[珪化クロム粉末の調製]
珪化クロム(CrSi2)粉末を、クロムチップ(シグマアルドリッチ社製、純度99.995%)とシリコン片(シグマアルドリッチ社製、純度99.95%)とを化学量論比で混合した混合物をアーク溶解法により合成した。得られたインゴットを再溶解を繰り返し、均一化した。重量損失は0.2mass%以下であった。インゴットを卓上顕微鏡(株式会社日立ハイテクノロジーズ社製、TM3000)で観察した。結果を図4に示す。
[Preparation of chromium silicide powder]
Chromium silicide ( CrSi2 ) powder was synthesized by arc melting a mixture of chromium chips (Sigma-Aldrich, purity 99.995%) and silicon pieces (Sigma-Aldrich, purity 99.95%) in a stoichiometric ratio. The resulting ingot was repeatedly remelted and homogenized. The weight loss was less than 0.2 mass%. The ingot was observed with a tabletop microscope (Hitachi High-Technologies Corporation, TM3000). The results are shown in Figure 4.
インゴットを、遊星型ボールミル(フリッチュ社製、PULVERISETTE 7)を用いた湿式ボールミルにより粉砕し、粉末化した。粉砕容器(イットリア安定化ジルコニア製)に、粉末に対する粉砕ボール(イットリア安定化ジルコニア製、φ=5mm)の質量比が5となるように、粗粉砕したインゴットおよび粉砕ボールを粉砕容器に入れ、エタノール水溶液(15体積%)を充填し、回転速度200rpm、8時間ミリングした。得られた粉末を373Kで一昼夜乾燥させた。 The ingot was crushed and powdered in a wet ball mill using a planetary ball mill (Fritsch, PULVERISETTE 7). The coarsely crushed ingot and crushing balls were placed in a crushing vessel (yttria-stabilized zirconia) so that the mass ratio of crushing balls (yttria-stabilized zirconia, φ = 5 mm) to powder was 5, and an aqueous ethanol solution (15% by volume) was added. The mixture was milled at a rotation speed of 200 rpm for 8 hours. The resulting powder was dried overnight at 373 K.
得られた粉末をX線回折により同定した。X線回折には、回転Cu-X線管(λKα1=1.5406Å、λKα2=1.5444Å、λKα2/λKα1=0.5)およびDTex検出器を備えたθ-2θRigaku TTRAXIII回折装置(株式会社リガク製)を用いた。入射ビームの大きさを直径約500μmに設定し、2θが5°から130°の範囲をステップ幅0.02°で回折パターンを測定した。XRDパターンの分析には、MAUD(Materials Analysis Using Diffraction、オープンソースでパブリックドメインのソフトウェア)を用いた。結果を図5に示す。 The resulting powder was identified by X-ray diffraction. For X-ray diffraction, a θ-2θ Rigaku TTRAXIII diffractometer (Rigaku Corporation) equipped with a rotating Cu-X-ray tube (λ Kα1 = 1.5406 Å, λ Kα2 = 1.5444 Å, λ Kα2 /λ Kα1 = 0.5) and a DTex detector was used. The size of the incident beam was set to a diameter of about 500 μm, and the diffraction patterns were measured in the range of 2θ from 5° to 130° with a step width of 0.02°. MAUD (Materials Analysis Using Diffraction, an open source and public domain software) was used to analyze the XRD patterns. The results are shown in Figure 5.
得られた粉末のモルフォロジを電界放出形走査電子顕微鏡(日本電子株式会社製、JSM-7000F)を用いて観察した。観察結果を図6に示す。得られた粉末の粒径分布を、Microtrac Nanotrac ULTRA装置を用い、動的光散乱法(DLS)により求めた。結果を図7に示す。 The morphology of the obtained powder was observed using a field emission scanning electron microscope (JSM-7000F, manufactured by JEOL Ltd.). The observation results are shown in Figure 6. The particle size distribution of the obtained powder was determined by dynamic light scattering (DLS) using a Microtrac Nanotrac ULTRA device. The results are shown in Figure 7.
以上の結果をまとめて示す。
図4は、インゴットの顕微鏡写真を示す図である。
The above results are summarized below.
FIG. 4 is a micrograph of the ingot.
図4によれば、インゴットは、大部分が100μmを超えるマクロサイズの結晶から構成されていた。 According to Figure 4, the ingot was mostly composed of macro-sized crystals larger than 100 μm.
図5は、調製した原料粉末のXRDパターンを示す図である。 Figure 5 shows the XRD pattern of the prepared raw material powder.
図5によれば、すべての回折ピークは、表1に示すCrSi2結晶(空間群P6222、番号180)に指数付けされ、La Bail解析の結果、格子定数a(=b)およびcは、それぞれ、a=4.42724(6)Åおよびc=6.36194(9)Åであった。このことから、得られた原料粉末は、CrSi2であることが確認された。 According to Fig. 5, all the diffraction peaks were indexed to the CrSi2 crystal (space group P6222 , number 180) shown in Table 1, and the La Bail analysis revealed that the lattice constants a(=b) and c were a=4.42724(6) Å and c=6.36194(9) Å, respectively. This confirmed that the obtained raw material powder was CrSi2 .
図6は、原料粉末のSEM像を示す図である。
図7は、原料粉末の粒径分布を示す図である。
FIG. 6 is a diagram showing an SEM image of the raw material powder.
FIG. 7 is a diagram showing the particle size distribution of the raw material powder.
図6によれば、ボールミルにより、原料粉末は良好に粉砕化された。図7によれば、粒子径分布は、平均粒子径(D50)が405nm、標準偏差が132nmであことが分かった。また、粉砕化された粉末は、CrSi2単結晶の粒であった。 As shown in Fig. 6, the raw powder was well pulverized by the ball mill. As shown in Fig. 7, the particle size distribution showed an average particle size (D50) of 405 nm and a standard deviation of 132 nm. The pulverized powder was composed of CrSi2 single crystal grains.
[例1~例3]
例1~例3では、調製した珪化クロム粉末を用い、磁場を印加しながら、スリップキャスト成形した成形体を焼結し、焼結体を製造した。
図8は、例1~例2の焼結体の製造工程の一部を示すプロシージャである。
[Examples 1 to 3]
In Examples 1 to 3, the prepared chromium silicide powder was used, and a sintered body was produced by slip casting and sintering the molded body while applying a magnetic field.
FIG. 8 is a procedure showing a part of the manufacturing process of the sintered bodies of Examples 1 and 2.
調製した珪化クロム粉末810を無水エタノール820に分散し、表2にしたがって固相濃度を調製した(図2のステップS210)。また、表2にしたがって、原料スラリーにポリカチオン性ポリマーとしてポリエチレンイミン(PEI、シグマアルドリッチ社製、平均モル質量(g/mol)=10000、直鎖)を添加し、酸度を酢酸0.1vol%で調整した。原料スラリーを超音波処理し、凝集体を分散させた。 The prepared chromium silicide powder 810 was dispersed in absolute ethanol 820, and the solid phase concentration was adjusted according to Table 2 (step S210 in FIG. 2). Also, according to Table 2, polyethyleneimine (PEI, Sigma-Aldrich, average molar mass (g/mol) = 10,000, linear) was added as a polycationic polymer to the raw material slurry, and the acidity was adjusted with 0.1 vol% acetic acid. The raw material slurry was ultrasonically treated to disperse the aggregates.
次いで、原料スラリーに磁場を印加しながら、固化成形し、成形体を形成した(図2のステップS220)。メンブレンフィルタ830(気孔率200nm)で覆われた多孔質アルミナプレート840上に配置された円柱状ポリエチレンモールド850(φ=12mm、高さ=40mm)からなるスリップキャストセットアップに、原料スラリーを流し込んだ。エタノールの蒸発を防ぐため、ポリエチレンモールド850をプラスチックフィルム860で蓋をした。 The raw material slurry was then solidified and molded while applying a magnetic field to form a molded body (step S220 in FIG. 2). The raw material slurry was poured into a slip cast setup consisting of a cylindrical polyethylene mold 850 (φ=12 mm, height=40 mm) placed on a porous alumina plate 840 covered with a membrane filter 830 (porosity 200 nm). The polyethylene mold 850 was covered with a plastic film 860 to prevent evaporation of the ethanol.
スリップキャストセットアップを12Tの超伝導マグネット内に配置し、重力の方向に対して平行な方向(図8中のBで示す矢印)に12Tの磁場を印加した。このとき、エタノールは、メンブレンフィルタ830および多孔質アルミナプレート840の細孔を通して、ゆっくりと流れ出た(図8中のSCで示す矢印)。このようにして、成形体870を得た。次いで、成形体870を冷間等方圧加圧装置(CIP)により、394MPa、10分間、加圧した。このときの成形体の密度は、55%であった。 The slip cast setup was placed in a 12 T superconducting magnet, and a 12 T magnetic field was applied in a direction parallel to the direction of gravity (arrow B in FIG. 8). At this time, ethanol slowly flowed out through the pores of the membrane filter 830 and the porous alumina plate 840 (arrow SC in FIG. 8). In this way, a compact 870 was obtained. The compact 870 was then pressed at 394 MPa for 10 minutes using a cold isostatic press (CIP). The density of the compact at this time was 55%.
加圧された成形体を焼結した(図2のステップS230)。焼結は、成形体をグラファイトダイ(φ=10mm)に置き、1523K、10分間、放電プラズマ焼結(SPS)した。 The pressed compact was sintered (step S230 in FIG. 2). For sintering, the compact was placed in a graphite die (φ=10 mm) and subjected to spark plasma sintering (SPS) at 1523 K for 10 minutes.
例3の焼結体は、磁場を重力の方向に対して垂直な方向に印加した以外は、例1と同様にして、製造した。 The sintered body of Example 3 was produced in the same manner as Example 1, except that the magnetic field was applied in a direction perpendicular to the direction of gravity.
このようにして得られた例1~例3の焼結体の焼結密度(相対密度)を無水エタノール中のアルキメデス法により求めた。結果を表4に示す。例1~例3の焼結体のXRDパターンを粉末X線回折により測定した。このとき、φ角を0°から180°の範囲、ステップ幅5°で測定した。結果を図9に示す。また、fL値(0003方向のLotgering Factor)を上述の方法にしたがって算出した。XRDパターンをリートベルト解析し、第二相を算出した。結果を表3に示す。 The sintered density (relative density) of the sintered bodies of Examples 1 to 3 thus obtained was determined by the Archimedes method in absolute ethanol. The results are shown in Table 4. The XRD patterns of the sintered bodies of Examples 1 to 3 were measured by powder X-ray diffraction. At this time, the φ angle was measured in the range of 0° to 180° with a step width of 5°. The results are shown in FIG. 9. In addition, the fL value (Lotgering factor in the 0003 direction) was calculated according to the above-mentioned method. The XRD patterns were subjected to Rietveld analysis to calculate the second phase. The results are shown in Table 3.
例1~例3の焼結体の後方散乱電子像および元素エネルギー分散型分光(EDS)分析を卓上顕微鏡を用いて行った。電界放出形走査電子顕微鏡により後方散乱電子回折(EBSD)マッピングを行った。焼結体を炭化ケイ素、ダイヤモンド、コロイダルシリカによって連続的に研磨し、EBSD用の試料とした。結果を図10および図11に示す。EBSD像から粒径を算出した。結果を表4に示す。 Backscattered electron images and elemental energy dispersive spectroscopy (EDS) analysis of the sintered bodies of Examples 1 to 3 were performed using a tabletop microscope. Electron backscattered diffraction (EBSD) mapping was performed using a field emission scanning electron microscope. The sintered bodies were successively polished with silicon carbide, diamond, and colloidal silica to prepare samples for EBSD. The results are shown in Figures 10 and 11. Grain sizes were calculated from the EBSD images. The results are shown in Table 4.
次に、例1~例3の焼結体の熱電特性を測定した。熱拡散係数(D)をレーザフラッシュ分析装置Netzsch467HyperFlashを用いて測定した。焼結体(φ=10mm、厚さ=1mm)の表面にグラファイト電極を付与し、測定用の試料とした。 Next, the thermoelectric properties of the sintered bodies of Examples 1 to 3 were measured. The thermal diffusion coefficient (D) was measured using a laser flash analyzer Netzsch 467 HyperFlash. Graphite electrodes were attached to the surface of the sintered bodies (φ = 10 mm, thickness = 1 mm) to prepare the measurement samples.
熱伝導率κを次式を用いて算出した。
κ=D×Cp×d
ここで、比熱Cpは、Dulong-Petit則Cp=3×N×R/M=0.69Jg-1K-1を用いて算出した。ただし、Nは、単位格子当たりの式量の3であり、Rは、ガス定数であり、Mは、モル質量である。密度dは、無水エタノール中でアルキメデス法によって算出される。
The thermal conductivity κ was calculated using the following formula.
κ=D× Cp ×d
Here, the specific heat Cp was calculated using the Dulong-Petit law Cp=3×N×R/M=0.69 Jg − 1K− 1 , where N is the formula weight per unit cell, R is the gas constant, and M is the molar mass. The density d was calculated by Archimedes' method in absolute ethanol.
ゼーベック係数および電気抵抗率を、He雰囲気中、熱電物性測定評価装置(アドバンス理工株式会社製、ZEM5)を用いて同時に測定した。焼結体を9×1×2mm3の棒状に加工し、測定用の試料とした。電極は焼結体の表面に付与された。同じ試料を用いてホール係数RHを測定した。ホール係数は、物理特性測定システム(PPMS、Quantum Design社製)を用い、磁場を-5Tから+5Tまで掃引し、ACモードで測定した。キャリア濃度nを関係式nD=1/eRHから算出した。得られたゼーベック係数、電気抵抗率、熱伝導率からパワーファクタPFおよび無次元性能指数ZTを算出した。結果を図12~図17および表5に示す。 The Seebeck coefficient and electrical resistivity were simultaneously measured in a He atmosphere using a thermoelectric property measurement and evaluation device (Advance Riko Co., Ltd., ZEM5). The sintered body was processed into a rod shape of 9 × 1 × 2 mm3 to be used as a measurement sample. Electrodes were attached to the surface of the sintered body. The Hall coefficient R H was measured using the same sample. The Hall coefficient was measured in AC mode using a physical property measurement system (PPMS, Quantum Design Co., Ltd.) by sweeping the magnetic field from -5 T to +5 T. The carrier concentration n was calculated from the relational equation n D = 1/eR H. The power factor PF and dimensionless figure of merit ZT were calculated from the obtained Seebeck coefficient, electrical resistivity, and thermal conductivity. The results are shown in Figures 12 to 17 and Table 5.
[例4]
例4では、調製した珪化クロム粉末を用い、磁場を印加せず、スリップキャスト成形した成形体を焼結し、焼結体を製造した。例4の焼結体は、磁場を印加しない以外は、例1と同様にして、製造した。
[Example 4]
In Example 4, the prepared chromium silicide powder was used, and a slip cast compact was sintered without applying a magnetic field to produce a sintered body. The sintered body of Example 4 was produced in the same manner as in Example 1, except that a magnetic field was not applied.
例4の焼結体を例1~例3と同様に、XRDパターン、EBSDマッピング、熱電特性、ならびに、密度、粒径、fL値、第二相を求めた。結果を図9、図11~図17、および、表3~表5に示す。 The XRD pattern, EBSD mapping, thermoelectric properties, density, grain size, fL value, and second phase were determined for the sintered body of Example 4 in the same manner as in Examples 1 to 3. The results are shown in Fig. 9, Fig. 11 to Fig. 17, and Tables 3 to 5.
以上をまとめて説明する。
表2に簡単のため、例1~例4の焼結体の製造条件の一覧を示す。
The above will be explained in summary.
For the sake of simplicity, Table 2 shows a list of the manufacturing conditions for the sintered bodies of Examples 1 to 4.
図9は、例1~例4の焼結体のXRDパターンを示す図である。
図10は、例1の焼結体のSEM像およびEDX像を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing XRD patterns of the sintered bodies of Examples 1 to 4.
FIG. 10 shows an SEM image and an EDX image of the sintered body of Example 1.
図9によれば、いずれの回折ピークもCrSi2に指数付けされた。図9中に模式的に示す焼結体(ペレット)の表面に垂直な磁場を印加された例1および例2の焼結体は、2θ=約42°に(0003)および2θ=約96°に(0006)の強い回折ピークを示し、(0003)の回折ピークの強度がもっとも高かった。これは、CrSi2のc軸が、磁化容易軸であり、反磁性定数|χc|が|χa|より優れているためである。このことから、例1および例2の焼結体は、厚さ方向にc軸配向していることが分かった。 According to FIG. 9, all the diffraction peaks were indexed to CrSi2 . The sintered bodies of Example 1 and Example 2, to which a magnetic field perpendicular to the surface of the sintered body (pellet) shown in FIG. 9 was applied, showed strong diffraction peaks of (0003) at 2θ=about 42° and (0006) at 2θ=about 96°, with the intensity of the diffraction peak of (0003) being the highest. This is because the c-axis of CrSi2 is the easy magnetization axis, and the diamagnetic constant |χ c | is superior to |χ a |. From this, it was found that the sintered bodies of Example 1 and Example 2 have c-axis orientation in the thickness direction.
例2の焼結体のXRDパターンは、(0003)の回折ピークの強度がもっとも高いものの、例1の焼結体と異なり(000m)以外の回折ピークも示した。このことから、例2の焼結体のc軸配向の程度は、例1の焼結体のそれよりも低いことが分かった。 The XRD pattern of the sintered body of Example 2 showed the highest intensity of the (0003) diffraction peak, but unlike the sintered body of Example 1, it also showed diffraction peaks other than (000m). This indicates that the degree of c-axis orientation of the sintered body of Example 2 is lower than that of the sintered body of Example 1.
一方、ペレットの表面と平行な磁場を印加された例3の焼結体のXRDパターンでは、(000m)回折ピークの強度が(112-0)(「-」は2のオーバーバーを示す)のそれよりも小さかった。これは、例3の焼結体は、厚さ方向に垂直な方向(ペレットの表面と平行な方向)にc軸配向しているが、焼結体の表面では、結晶がランダムな状態であるためである。また、例4の焼結体のXRDパターンは、図5の粉末のそれに類似しており、例4の焼結体では、結晶は全体を通してランダムな状態であることが分かった。 On the other hand, in the XRD pattern of the sintered body of Example 3, to which a magnetic field parallel to the pellet surface was applied, the intensity of the (000 m) diffraction peak was smaller than that of (112-0) ("-" indicates an overbar of 2). This is because the sintered body of Example 3 has a c-axis orientation perpendicular to the thickness direction (parallel to the pellet surface), but the crystals on the surface of the sintered body are in a random state. The XRD pattern of the sintered body of Example 4 is similar to that of the powder in Figure 5, and it was found that the crystals in the sintered body of Example 4 are in a random state throughout.
例1~例4の焼結体のXRDパターンでは、クロムシリサイド(CrSi)を示す回折ピーク(図9中の*で示す)が確認された。クロムシリサイドは、図10に示すように、わずかながら確認された。 In the XRD patterns of the sintered bodies of Examples 1 to 4, diffraction peaks indicating chromium silicide (CrSi) (indicated by * in Figure 9) were confirmed. Chromium silicide was also confirmed, albeit in small amounts, as shown in Figure 10.
図9のXRDパターンから算出されたfL値によれば、例1の焼結体は、良好にc軸配向していることが分かった。例2の焼結体は、c軸配向しているものの、それ以外の配向も確認された。なお、例3の焼結体のfL値は負の値になったが、これは、測定面においてc面がランダム体(例4)よりも減少しているためである。また、例1~例4の焼結体は、いずれも、第二相として4mass%のクロムシリサイド(CrSi)を含有した。 According to the fL value calculated from the XRD pattern in FIG. 9, it was found that the sintered body of Example 1 had a good c-axis orientation. Although the sintered body of Example 2 had a c-axis orientation, other orientations were also confirmed. The fL value of the sintered body of Example 3 was a negative value, but this is because the c-plane in the measurement surface was reduced compared to the random body (Example 4). In addition, all of the sintered bodies of Examples 1 to 4 contained 4 mass% chromium silicide (CrSi) as a second phase.
図11は、例1、例3および例4の焼結体のND面上での電子後方散乱回折(EBSD)からの結晶方位を示す図である。 Figure 11 shows the crystal orientations from electron backscatter diffraction (EBSD) on the ND planes of the sintered bodies of Examples 1, 3, and 4.
図11には、ND逆極点図、RD逆極点図も併せて示す。図11(a)~(c)では濃度の異なるグレースケールで(000l)面の集積を示す。図11(a)によれば、主として濃い濃度のグレースケールで表されており、(000l)面がND面に集積するテクスチャを示しており、逆極点図からa軸、b軸はND面内ではランダムとなっていることが分かった。図11(b)によれば、明るいの濃度のグレースケールで示されるテクスチャを示しており、(000l)面と90度となる面が集積していることが示されている。逆極点図よりc軸がRD面と垂直に配向していることが分かる。図11(c)によれば、種々の濃度のグレースケールで示されるテクスチャを示しており、逆極点図からも特定の結晶面の集積は観察されず、例4の焼結体では結晶がランダムであることが分かった。 Figure 11 also shows the ND inverse pole figure and RD inverse pole figure. Figures 11(a) to (c) show the accumulation of the (000l) plane with grayscales of different densities. Figure 11(a) shows the texture of the (000l) plane accumulated on the ND plane, which is mainly represented by a dark grayscale, and the inverse pole figure shows that the a-axis and b-axis are random in the ND plane. Figure 11(b) shows the texture shown by a light grayscale, which shows that the planes that are 90 degrees to the (000l) plane are accumulated. The inverse pole figure shows that the c-axis is oriented perpendicular to the RD plane. Figure 11(c) shows the texture shown by grayscales of various densities, and the inverse pole figure shows that no accumulation of specific crystal planes was observed, and it was found that the crystals in the sintered body of Example 4 are random.
表4によれば、例1~例4の焼結体は、いずれも96%を超える相対密度を有した。図11から粒径を算出したところ、例1の焼結体の平均粒径は、0.90μmであり、0.88μm以上0.92μmの範囲を満たすことが分かった。 According to Table 4, the sintered bodies of Examples 1 to 4 all had a relative density exceeding 96%. When the grain size was calculated from Figure 11, it was found that the average grain size of the sintered body of Example 1 was 0.90 μm, which fell within the range of 0.88 μm to 0.92 μm.
図12は、例1~例4の焼結体の電気抵抗率の温度依存性を示す図である。
図13は、例1~例4の焼結体のゼーベック係数の温度依存性を示す図である。
図14は、例1~例4の焼結体のパワーファクタの温度依存性を示す図である。
図15は、例1~例4の焼結体の熱伝導率の温度依存性を示す図である。
図16は、例1~例4の焼結体の無次元性能指数ZTの温度依存性を示す図である。
図17は、例1~例4の焼結体の無次元性能指数ZTとfL値との関係を示す図である。
FIG. 12 is a graph showing the temperature dependence of the electrical resistivity of the sintered bodies of Examples 1 to 4.
FIG. 13 is a graph showing the temperature dependence of the Seebeck coefficient of the sintered bodies of Examples 1 to 4.
FIG. 14 is a graph showing the temperature dependence of the power factor of the sintered bodies of Examples 1 to 4.
FIG. 15 is a graph showing the temperature dependence of the thermal conductivity of the sintered bodies of Examples 1 to 4.
FIG. 16 is a graph showing the temperature dependence of the dimensionless figure of merit ZT of the sintered bodies of Examples 1 to 4.
FIG. 17 is a graph showing the relationship between the dimensionless figure of merit ZT and the fL value for the sintered bodies of Examples 1 to 4.
例1~例4の焼結体には、上述したように、焼結体表面に電極が付与されている。したがって、厚さ方向にc軸配向している例1および例2の焼結体では、電極平面の方向とc軸とは略垂直な関係であり、焼結体の表面方向にc軸配向している例3の焼結体では、電極平面の方向とc軸とは略平行な関係であることに留意されたい。 As described above, the sintered bodies of Examples 1 to 4 have electrodes attached to the surface of the sintered body. Therefore, it should be noted that in the sintered bodies of Examples 1 and 2, in which the c-axis is oriented in the thickness direction, the direction of the electrode plane and the c-axis are approximately perpendicular, while in the sintered body of Example 3, in which the c-axis is oriented in the surface direction of the sintered body, the direction of the electrode plane and the c-axis are approximately parallel.
図12によれば、例1~例4の焼結体の電気抵抗率は、いずれも、温度の増大に伴い、増加する傾向を示したが、多結晶の例4の焼結体の電気抵抗率が、もっとも温度依存性が小さく、例3の焼結体の電気抵抗率が、もっとも温度依存性が大きかった。焼結体のモルフォロジや添加元素等により、電気抵抗率を選択的に低下させることができると考える。 According to Figure 12, the electrical resistivity of the sintered bodies of Examples 1 to 4 all tended to increase with increasing temperature, but the electrical resistivity of the polycrystalline sintered body of Example 4 was the least temperature-dependent, and the electrical resistivity of the sintered body of Example 3 was the most temperature-dependent. It is believed that the electrical resistivity can be selectively reduced by the morphology of the sintered body, added elements, etc.
図13によれば、例1および例2の焼結体のゼーベック係数は、測定した温度範囲において、例3および例4の焼結体のそれよりも最大で2倍程度大きな値を示した。特に、例1の焼結体は、500K~600Kにおいて、160μV/Kに達する大きな値を示した。また、いずれの焼結体のゼーベック係数も正の値を有し、例1~例4の焼結体は、p型半導体であることが確認された。 According to Figure 13, the Seebeck coefficients of the sintered bodies of Examples 1 and 2 were up to twice as large as those of the sintered bodies of Examples 3 and 4 in the measured temperature range. In particular, the sintered body of Example 1 showed a large value of 160 μV/K at 500 K to 600 K. In addition, the Seebeck coefficients of all the sintered bodies were positive values, confirming that the sintered bodies of Examples 1 to 4 are p-type semiconductors.
図14によれば、例1および例2の焼結体のパワーファクタは、測定した温度範囲において、例3および例4の焼結体のそれよりも最大で7倍を超える大きな値を示した。このことから、珪化クロム(CrSi2)を主成分とする粒子からなり、粒子がc軸方向に配向している焼結体は、熱電材料として機能することが示された。特に、350K~600Kの低温領域において劇的に増大しており、本発明の熱電材料は、各種熱電冷却応用やIoT動作電源として貧熱を回収するに好適といえ、民生利用の熱電発電素子を提供できる。 According to Fig. 14, the power factors of the sintered bodies of Examples 1 and 2 were up to 7 times larger than those of the sintered bodies of Examples 3 and 4 in the measured temperature range. This shows that the sintered body made of grains mainly composed of chromium silicide (CrSi 2 ) and oriented in the c-axis direction functions as a thermoelectric material. In particular, the power factor is dramatically increased in the low temperature range of 350K to 600K, and the thermoelectric material of the present invention can be said to be suitable for recovering waste heat as a power source for various thermoelectric cooling applications and IoT operation, and can provide a thermoelectric power generation element for civilian use.
図15によれば、例1~例4の焼結体の熱伝導率は、温度の増大に伴い減少した。例1および例2の焼結体の熱伝導率は、例3および例4の焼結体のそれにくらべて、測定した温度範囲において、わずかながら大きいものの、大幅な増大は見られなかった。 According to Figure 15, the thermal conductivity of the sintered bodies of Examples 1 to 4 decreased with increasing temperature. The thermal conductivity of the sintered bodies of Examples 1 and 2 was slightly higher than that of the sintered bodies of Examples 3 and 4 in the measured temperature range, but no significant increase was observed.
図16によれば、例1および例2の焼結体のZTは、測定した温度範囲において、例3および例4の焼結体のそれよりも測定した温度範囲において増大した。特に表5に示すように、773Kにおいては、例1の焼結体のZTは、バルク単結晶のそれに匹敵する値であった。なお、焼結体のモルフォロジや添加元素等により、熱伝導率あるいは電気抵抗率を選択的に低下させれば、ZTのさらなる増大が期待できる。 According to FIG. 16, the ZT of the sintered bodies of Examples 1 and 2 was higher than that of the sintered bodies of Examples 3 and 4 in the measured temperature range. In particular, as shown in Table 5, at 773 K, the ZT of the sintered body of Example 1 was comparable to that of a bulk single crystal. Furthermore, if the thermal conductivity or electrical resistivity of the sintered body is selectively reduced by the morphology or added elements of the sintered body, a further increase in ZT can be expected.
図17には、773Kにおける例1~例4の焼結体のZTと、fL値との関係を示す。図17によれば、fL値が1に近づくほど、ZTは増大するが、表5を参照すれば、c軸配向した焼結体とすることにより、電気伝導率、ゼーベック係数、パワーファクタ、あるいは、熱伝導率の値はバルク単結晶と異なる値にも関わらず、ZTは、バルク単結晶に匹敵する値となった。特に、fL値が0.5以上1以下の範囲を満たせば、高いZT値を有する焼結体が得られることが分かった。このことは、高度な制御や高価な装置が必要なバルク単結晶育成に比較して、c軸配向した焼結体の製造の容易さを考慮すれば、極めて有利である。 FIG. 17 shows the relationship between the ZT and the fL value of the sintered bodies of Examples 1 to 4 at 773K. According to FIG. 17, the closer the fL value is to 1, the higher the ZT. However, referring to Table 5, by making the sintered body c-axis oriented, the ZT becomes comparable to that of the bulk single crystal, even though the electrical conductivity, Seebeck coefficient, power factor, or thermal conductivity values are different from those of the bulk single crystal. In particular, it was found that a sintered body having a high ZT value can be obtained if the fL value is in the range of 0.5 to 1. This is extremely advantageous in terms of the ease of manufacturing a c-axis oriented sintered body, compared to the bulk single crystal growth, which requires advanced control and expensive equipment.
本発明の熱電材料は、焼結体でありながら、バルク単結晶と同等の熱電性能を有するため、各種電気機器に用いられる熱電冷却装置および発電装置に利用される。例えば車やトラックでの排熱を利用した発電や原子力発電所、火力発電所、工業炉、生産ライン等における排熱を使用することによる発電も可能である。また、宇宙用途として放射性同位体熱電気転換器への利用も考えられる。 The thermoelectric material of the present invention is a sintered body, but has thermoelectric performance equivalent to that of a bulk single crystal, and is therefore used in thermoelectric cooling devices and power generation devices used in various electrical devices. For example, it is possible to generate electricity using the exhaust heat from cars and trucks, or from nuclear power plants, thermal power plants, industrial furnaces, production lines, etc. It can also be used in radioisotope thermoelectric converters for space applications.
100 焼結体
110 粒子
300 熱電発電素子
310 n型熱電材料
320 p型熱電材料
330、340 電極
810 珪化クロム粉末
820 無水エタノール
830 メンブレンフィルタ
840 多孔質アルミナプレート
850 ポリエチレンモールド
860 プラスチックフィルム
870 成形体
REFERENCE SIGNS LIST 100 Sintered body 110 Particles 300 Thermoelectric generating element 310 n-type thermoelectric material 320 p-type thermoelectric material 330, 340 Electrode 810 Chromium silicide powder 820 Absolute ethanol 830 Membrane filter 840 Porous alumina plate 850 Polyethylene mold 860 Plastic film 870 Molded body
Claims (18)
前記粒子はc軸方向に配向しており、
前記焼結体の厚さ方向におけるf L 値(0003方向のLotgering Factor)は、0.5以上0.95以下の範囲を有する、熱電材料。 The ceramic material is made of a sintered body made of particles mainly composed of chromium silicide (CrSi 2 ),
The grains are oriented in the c-axis direction,
A thermoelectric material, wherein the fL value (Lotgering factor in the 0003 direction) of the sintered body in the thickness direction is in the range of 0.5 to 0.95 .
磁場を印加しながら、前記原料スラリーを固化成形し、成形体を形成することと、
前記成形体を焼結することと
を包含する、請求項1~9のいずれかに記載の熱電材料の製造方法。 A raw material powder containing chromium silicide (CrSi 2 ) as a main component is dispersed in a solvent to prepare a raw material slurry;
solidifying and molding the raw material slurry while applying a magnetic field to form a molded body;
The method for producing a thermoelectric material according to claim 1 , further comprising: sintering the molded body.
前記p型熱電材料および/または前記n型熱電材料は、請求項1~9のいずれかに記載の熱電材料である、熱電発電素子。 A thermoelectric generating element including p-type thermoelectric materials and n-type thermoelectric materials alternately connected in series,
A thermoelectric power generation element, wherein the p-type thermoelectric material and/or the n-type thermoelectric material is the thermoelectric material according to any one of claims 1 to 9 .
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