镁系热电转换材料、镁系热电转换元件、热电转换装置、镁系热电转换材料的制造方法制造方法及图纸

本发明专利技术的镁系热电转换材料的特征在于，由Mg2Si构成的第一层和由Mg2SixSn1‑x构成的第二层直接接合，其中，x为0以上且小于1，所述第二层在与所述第一层的接合面和接合面附近具有锡浓度过渡区域，在所述锡浓度过渡区域中，越远离所述接合面，锡浓度越增加。在此，接合面设为锡浓度在EDX测定中成为检测限以下的部位。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】镁系热电转换材料、镁系热电转换元件、热电转换装置、镁系热电转换材料的制造方法
本专利技术涉及一种热电转换效率优异的镁系热电转换材料、镁系热电转换元件、热电转换装置、镁系热电转换材料的制造方法。本申请主张基于2016年3月17日于日本申请的专利申请2016-054116号及2017年2月24日于日本申请的专利申请2017-033836号的优先权，并将其内容援用于此。
技术介绍
热电转换元件是能够进行称为塞贝克效应及帕尔贴效应的、将热量和电力相互转换的电子元件。塞贝克效应是将热能转换成电能的效应，是若在热电转换材料的两端产生温度差，则产生电动势的现象。这种电动势根据热电转换材料的特性而决定。近年来，利用了该效应的热电发电的开发正在蓬勃发展(例如参考专利文献1)。作为表示这种热电转换元件的特性的指标，已知有无因次性能指数(ZT)。由下式(1)来表示无因次性能指数(ZT)。ZT＝S2σT/K……(1)其中，S＝塞贝克系数、σ＝导电率、T＝绝对温度、K＝导热率根据该式(1)也可知，温度因素包括在无因次性能指数中，热电转换性能受到温度的影响很大。热电转换元件根据其构成材料而性能最大限度地提高的温度大不相同。因此，在由一种构成材料制作出热电转换元件的情况下，由在高温侧与低温侧之间生成的温度分布引起的总发电量成为所述热电转换元件的发电量。由此，即使使用ZT较高的材料形成热电转换元件，低温侧热电转换效率也较低，因此存在当作为热电转换元件整体来看时发电量未必变高的课题。为了改善由这种一个热电转换元件内的温度分布引起的热电转换效率的降低，已知有一种层叠了两种以上不同的热电转换材料的多层结构的热电转换元件。该多层结构的热电转换元件分别在高温侧配置呈高温状态且ZT成为最大的热电转换材料，在低温侧配置呈低温状态且ZT成为最大的热电转换材料，从而经由导电性的接合层而将这些热电转换材料彼此接合。专利文献1：日本特表2012-533972号公报然而，还存在以下课题，上述多层结构的热电转换元件经由导电性的接合层而将两种以上不同的热电转换材料彼此接合，接合层和热电转换材料的热膨胀率不同，因此在接合部分容易剥离。并且，构成为在不同的热电转换材料的界面配置电极，并从各热电转换材料导出电力，因此结构非常复杂。
技术实现思路
本专利技术是鉴于所述情况而完成的，其目的在于提供一种与温度分布无关地热电转换效率较高且机械强度也优异的镁系热电转换材料、镁系热电转换元件、热电转换装置、镁系热电转换材料的制造方法。为了解决上述课题，本专利技术的镁系热电转换材料的特征在于，由Mg2Si构成的第一层和由Mg2SixSn1-x(其中，x为0以上且小于1)构成的第二层直接接合，所述第二层在与所述第一层的接合面和接合面附近具有锡浓度过渡区域，在所述锡浓度过渡区域中，越远离所述接合面，锡浓度越增加。根据本专利技术的镁系热电转换材料，使用将无因次性能指数(ZT)变高的温度区域彼此不同的第一层与第二层直接接合的热电转换材料，例如分别将第一层的一面配置在高温环境中，将第二层的另一面配置在低温环境中，由此最大限度地发挥第一层和第二层各自的热电转换特性。由此，与由单一组成的材料构成的热电转换材料相比，能够大幅提高热电转换效率(发电效率)。而且，根据本专利技术的镁系热电转换材料，构成热电转换材料的第二层在与第一层直接接合的接合面和接合面附近具有锡浓度过渡区域，因此能够抑制由热电转换材料的高温侧与低温侧的温度差引起的、第一层及第二层的接合面的剥离或裂纹的产生。即，锡浓度过渡区域越趋向与第一层接触的接合面，锡浓度越降低，从而组成接近于构成第一层的Mg2Si，因此由Mg2SixSn1-x(其中，x为0以上且小于1)构成的第二层在接合面的组成接近于构成第一层的Mg2Si。由此，在第一层与第二层的接合面的结构为晶体结构相同且一部分Si被Sn取代，并且，彼此的热膨胀率之差变得极小，能够可靠地抑制由面向高温侧的第一层与面向低温侧的第二层的温度差引起的接合面的剥离或裂纹的产生。并且，在第一层与第二层之间不需要配置电极，而在第一层侧的端面和第二层侧的端面配置电极即可，结构变得非常简单。所述锡浓度过渡区域的特征在于，沿层叠方向的厚度在1μm以上且50μm以下的范围内。在锡浓度过渡区域的厚度小于1μm的情况下，由于过渡区域较薄，因此由于接合强度不充分而可能产生裂纹或剥离。并且，在比50μm厚的情况下，有可能因锡的扩散而电阻变高。另外，关于所述锡浓度过渡区域的沿层叠方向的厚度，通过ThermoFisherScientific制造的Quanta450FEG扫描式电子显微镜，以第一层位于测定视场的左侧、第二层位于测定视场的右侧的方式，观察热电转换材料的第一层与第二层的接合界面，在倍率为5000倍的视场(纵向23μm；横向30μm)中，使用EDAX公司制造的Genesis系列的EDX获得Sn的映射图像，将Sn浓度为0.5质量％～X质量％的区域视为锡浓度过渡区域，并算出该区域的面积。在此，X是热电转换材料的第二层的Sn浓度的95％的值。另外，关于热电转换材料的第二层的Sn浓度，在从热电转换材料的第一层与第二层的接合面朝向第二层隔开100μm的位置，通过相同的装置测定10个点，将其平均值设为第二层的Sn浓度。然后，求出所算出的锡浓度过渡区域的面积除以测定视场的纵宽尺寸的值，将5个视场的平均值作为锡浓度过渡区域的厚度。本专利技术的镁系热电转换元件的特征在于，具备：上述各项所述的镁系热电转换材料；及电极，分别与该镁系热电转换材料的一面及所对置的另一面接合。根据本专利技术的镁系热电转换元件，使用将无因次性能指数(ZT)变高的温度区域彼此不同的第一层与第二层直接接合的热电转换材料，例如将第一层的一面配置在高温环境中，将第二层的另一面配置在低温环境中，由此最大限度地发挥第一层和第二层各自的热电转换特性。因此，与由单一组成的材料构成的热电转换元件相比，能够大幅提高热电转换效率(发电效率)。而且，根据本专利技术的镁系热电转换元件，构成热电转换材料的第二层在与第一层直接接合的接合面和接合面附近具有锡浓度过渡区域，由此能够抑制由热电转换材料的高温侧与低温侧的温度差引起的、第一层及第二层的接合面的剥离或裂纹的产生。即，锡浓度过渡区域越趋向与第一层接触的接合面，锡浓度越降低，从而组成接近于构成第一层的Mg2Si，因此由Mg2SixSn1-x(其中，x为0以上且小于1)构成的第二层在接合面组成接近于构成第一层的Mg2Si。由此，在第一层与第二层的接合面的结构为晶体结构相同且一部分Si被Sn取代，并且，彼此的热膨胀率之差变得极小，能够可靠地抑制由面向高温侧的第一层与面向低温侧的第二层的温度差引起的接合面的剥离或裂纹的产生。本专利技术的热电转换装置的特征在于，其通过排列多个所述镁系热电转换元件，并经由所述电极而串联来电连接而制成。根据本专利技术的热电转换装置，使用将无因次性能指数(ZT)变高的温度区域彼此不同的第一层与第二层直接接合的热电转换材料，例如分别将第一层的一面配置在高温环境中，将第二层的另一面配置在低温环境中，由此最大限度地发挥第一层和第二层各自的热电转换特性。因此，与使用了由单一组成的材料构成的热电转换材料的热电转换装置相比，能够大幅提高热电转换效率(发电效率本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种镁系热电转换材料，其特征在于，由Mg2Si构成的第一层和由Mg2SixSn1‑x构成的第二层直接接合，其中，x为0以上且小于1，所述第二层在与所述第一层的接合面和接合面附近具有锡浓度过渡区域，在所述锡浓度过渡区域中，越远离所述接合面，锡浓度越增加。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.03.17 JP 2016-054116;2017.02.24 JP 2017-033831.一种镁系热电转换材料，其特征在于，由Mg2Si构成的第一层和由Mg2SixSn1-x构成的第二层直接接合，其中，x为0以上且小于1，所述第二层在与所述第一层的接合面和接合面附近具有锡浓度过渡区域，在所述锡浓度过渡区域中，越远离所述接合面，锡浓度越增加。2.根据权利要求1所述的镁系热电转换材料，其特征在于，所述锡浓度过渡区域的沿层叠方向的厚度在1μm以上且50μm以下的范围内。3.一种镁系热电转换元件，其特征在于，具备：权利要求1或2所述的镁系热电转换材料；及电极，分别与该镁系热电转换材料的一面及所对置的另一面接合。4.一种热电转换装置，其特征在于，其通过排列多个权利要求3所述的镁系热电转换元件，并经由所述电极而串联来电连接而制成。5.一种镁系热电转换材料的制造方法，其特征在于，所述镁系热电转换材料中，由Mg2Si构成的第一层和由Mg2SixSn1-x构成的第二层直接接合，其中，x为0以上且小于1，所述第二层在与所述第一层的接合面和接合面附近具有锡浓度过渡区域，在所述锡浓度过渡区域中，越远离所述接合面，锡浓度越增加，所述镁系热电转换材料的制造方法具备：原料形成工序，形成包含镁系化合物的烧结原料；第一烧结工序，一边以10MPa以上的加压力对所述烧结原料进行加压，一边在750℃以上且950℃以下的温度范围内进行加热，从而形成所述第一层；及第二烧结工序，在所述第一层的所述接合面侧配置由镁粉末、硅粉末及锡粉末的混合体构成的烧结原料，一边以0.5MPa以上的加压力进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：中田嘉信，新井皓也，驹崎雅人，
申请(专利权)人：三菱综合材料株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP