硅化物系合金材料和使用它的热电转换元件制造技术

本发明专利技术提供一种能够减轻环境负担、且能够得到高的热电性能的硅化物系合金材料。本发明专利技术提供的硅化物系合金材料为以硅与钌作为主成分的硅化物系合金材料，构成该合金材料的元素的原子比在将硅、钌的含量分别记作Si、Ru时，满足45atm％≤Si/(Ru+Si)≤70atm％，30atm％≤Ru/(Ru+Si)≤55atm％。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】硅化物系合金材料和使用它的热电转换元件
本专利技术涉及硅化物系合金材料和使用它的元件。
技术介绍
作为可再生能源的候选，一直以来已知利用废热的热电发电。当前，针对200℃以下的废热，Bi2Te3被实用化，但Bi-Te系材料存在的问题在于，Bi和Te均昂贵，此外Te的毒性极强。因此，作为热电转换元件，要求能够降低发电成本、减轻环境负担。此外，垃圾焚烧厂、汽车中产生的废热处于高于前述的温度的200℃～600℃左右的温度区域(以下记作“中温区域”)。在这样的温度区域中使用的材料包含Sb、As等毒性强的元素，因此环境负担大。作为环境负担小、高性能的中温区域用热电材料，使金属与硅化合而得到的合金材料备受关注。特别地，虽然已知Mg2Si等(参照专利文献1)，另外作为使用同族元素的p型热电材料，提出了Mg2Si与CaMgSi的混合物(例如参照专利文献2)，但是这些材料在400℃下的塞贝克(Seebeck)系数小至70μV/K以下，无法得到能够耐受实用的热电特性。因此，需要提供一种低环境负担和低成本、且在包括高于200℃的温度范围的温度区域中能够得到高的热电转换效率的热电转换材料。非专利文献1、2中，报道了在中温区域中具有高的电导率和塞贝克系数的硅与钌的合金，但其是涉及通过FZ法制造的单晶试样的专利技术，室温下的热导率达到5.0W/K·m，作为热电转换中的性能的指标的性能指数Z和绝对温度T的值仅达到较低的值。此外，非专利文献3中，公开了钌与硅在中温区域(400℃～600℃)中示出较高的热电转换效率。然而，在200℃以下的低温区域中，无法兼顾电导率的提高和塞贝克系数的提高，无法实现高的热电转换效率。非专利文献3中，通过电弧熔炼来制造钌与硅的比率为1：1的合金，实施了对其电特性和热物性的测定，但仅限于300K以下的温度区域，对于所得合金也没有记载除了晶相之外的与详细的组织结构相关的信息。进一步，非专利文献4中，公开了通过与非专利文献3相同的方法制造钌与硅的比率为1：1的比率的合金，测定了其热电性能，但100℃附近的塞贝克系数为250μV/K，电导率为约6×10E-3Ω·cm左右，并且对于非专利文献4同样得到的合金，也没有记载除了晶相之外的与详细组织结构相关的信息。在此，T为绝对温度，性能指数Z通过以下的式子定义。[数1]S为塞贝克系数(V/K)，σ为电导率，是电阻(Ω·m)的倒数。此外，κ为热导率(W/K·m)。此外，Z的分子部分(S的平方与σ的积)被称为功率因数(W/K2·m)。此外，(功率因数/热导率)×温度(K：开尔文)被称为热电转换性能。本申请的专利技术人们发现，通过控制晶粒尺寸并制成含有多个晶相的以硅与钌作为主成分的硅化物系合金材料，能够抑制热导率，提高热电性能。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开2002-368291号公报专利文献2：日本特开2008-147261号公报非专利文献非专利文献1：L.Ivanenkoetal.22ndInternationalConferenceonThermoelectrics2003157-160非专利文献2：L.Ivanenkoetal.MicroelectronicEngineering70(2003)209-214非专利文献3：B.Buschingeretal.JournalofAlloysandCompounds256(1997)57-60非专利文献4：H.Holeetal.JournalofAlloysandCompounds278(1998)39-43
技术实现思路
专利技术要解决的课题本专利技术的目的在于，开发一种能够减轻环境负担、且能够得到高的热电性能的硅化物系合金材料和使用它的元件。用于解决课题的手段即，本专利技术包括以下的技术方案。(1)一种硅化物系合金材料，其为以硅与钌作为主成分的硅化物系合金材料，构成该合金材料的元素的原子比在将硅、钌的含量分别记作Si、Ru时，满足：45atm％≤Si/(Ru+Si)≤70atm％；30atm％≤Ru/(Ru+Si)≤55atm％。(2)根据(1)所述的硅化物系合金材料，其中，硅化物系合金材料的平均晶粒粒径为50μm以下。(3)根据(1)或(2)所述的硅化物系合金材料，其中，硅化物系合金材料的平均晶粒粒径为1nm～20μm。(4)根据(1)～(3)中任一项所述的硅化物系合金材料，其中，硅化物系合金材料的平均晶粒粒径为3nm～1μm。(5)根据(1)～(4)中任一项所述的硅化物系合金材料，其中，硅化物系合金材料的平均晶粒粒径为5nm～500nm。(6)根据(1)～(5)中任一项所述的硅化物系合金材料，其为以硅与钌作为主成分的硅化物系合金材料，在组织中具有多个晶相。(7)根据(1)～(6)中任一项所述的硅化物系合金材料，其中，硅、钌的含量满足55atm％≤Si/(Ru+Si)≤65atm％；35atm％≤Ru/(Ru+Si)≤45atm％。(8)根据(1)～(7)中任一项所述的硅化物系合金材料，其为以硅与钌作为主成分的硅化物系合金材料，在组织中具有选自空间群198、64、60中的至少2种以上的晶相。(9)根据(1)～(6)中任一项所述的硅化物系合金材料，其中，硅、钌的含量满足：47atm％≤Si/(Ru+Si)≤60atm％；40atm％≤Ru/(Ru+Si)≤53atm％。(10)根据(1)～(6)、(9)中任一项所述的硅化物系合金材料，其为以硅与钌作为主成分的硅化物系合金材料，在组织中具有空间群221、198的晶相。(11)一种热电转换元件，其使用(1)～(10)中任一项所述的硅化物系合金材料。专利技术效果通过使用本专利技术的硅化物系合金材料，能够制造一种在宽范围的温度区域中具有高效率的热电转换元件。具体实施方式以下，针对本专利技术详细描述。本专利技术的硅化物系合金材料的平均晶粒粒径优选为50μm以下、进一步优选为1nm～50μm、进一步优选为1nm～20μm、更优选3nm～1μm、更加优选为5nm～500nm、最优选为5nm～100nm。此外，本专利技术中限定平均晶粒粒径的理由在于：热电转换元件的性能低的原因，大部分是因热导率高导致的，而通过将平均晶粒粒径抑制得小，能够降低热导率。然而，适合于高效率地抑制热传导的平均晶粒粒径根据物质的种类而不同。其理由在于，传递热的声子具有根据物质的种类而不同的平均自由程。除此之外，如果平均晶粒粒径低于1nm，则电传导变低的可能性高，因此还产生使热电转换元件的性能恶化的问题。在此所述的平均晶粒粒径是指相对于在特定的区域中观测到的晶粒的个数，数出具有特定尺寸的晶粒的个数，算出平均本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅化物系合金材料，其为以硅与钌作为主成分的硅化物系合金材料，构成该合金材料的元素的原子比在将硅、钌的含量分别记作Si、Ru时，满足：/n45atm％≤Si/(Ru+Si)≤70atm％；/n30atm％≤Ru/(Ru+Si)≤55atm％。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20190118 JP 2019-006659;20190307 JP 2019-041217;201.一种硅化物系合金材料，其为以硅与钌作为主成分的硅化物系合金材料，构成该合金材料的元素的原子比在将硅、钌的含量分别记作Si、Ru时，满足：
45atm％≤Si/(Ru+Si)≤70atm％；
30atm％≤Ru/(Ru+Si)≤55atm％。


2.根据权利要求1所述的硅化物系合金材料，其中，硅化物系合金材料的平均晶粒粒径为50μm以下。


3.根据权利要求1或2所述的硅化物系合金材料，其中，硅化物系合金材料的平均晶粒粒径为1nm～20μm。


4.根据权利要求1～3中任一项所述的硅化物系合金材料，其中，硅化物系合金材料的平均晶粒粒径为3nm～1μm。


5.根据权利要求1～4中任一项所述的硅化物系合金材料，其中，硅化物系合金材料的平均晶粒粒径为5nm～500nm。


6.根据权利要求1～5中任一项所述的硅化...

【专利技术属性】
技术研发人员：幸田阳一朗，秋池良，仓持豪人，
申请(专利权)人：东曹株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP