热电半导体材料,及其制造方法和用该材料的热电微型组件及热锻造方法技术

一种热电半导体材料的制造方法，其特征是包括：按具有所希望的组分混合材料粉末并进行加热熔融的加热工艺；形成具有菱形结构（六面体晶体结构）的热电半导体材料固熔锭的凝固工艺；将所述固熔体锭粉碎形成固熔体粉末的粉碎工艺；使所述固熔体粉末的粒径均匀的选粒工艺；将已成为粒径均匀的所述固熔体粉末加压烧结的烧结工艺；将所述粉末烧结体通过热进行塑性变形并延展，使粉末烧结组织的晶粒或构成晶粒的亚晶粒依性能指数优良的结晶方位取向的热镦锻锻造工艺。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及热电半导体材料，其制造方法和利用该材料的热电微型组件及热锻造方法。利用珀耳贴效应或艾延豪森效应的电子冷却元件或利用塞贝克效应的电热发电元件结构简单且容易加工并可保持稳定的特性，因此，其广泛范围的应用颇为人瞩目。尤其，作为电子冷却元件可局部冷却及室温附近精密的温度控制，因此对光电子、半导体激光等的恒温化等正广泛地进行研究。用于该电子冷却及热电发电的热电微型组件，如附图说明图12所示，通过金属电极7使p型半导体5与n型半导体6接合而形成pn元件对，将该pn元件对进行数个串联排列，通过流向结部的电流方向，使一方的端部发热，另一方端部冷却而构成的。在该热电元件的材料中，使用在该利用温度区域中由物质固有常数塞贝克系数α与电阻率p和热导率k表示的性能指数Z(=α2/pk)大的材料。很多热电半导体材料具有起因于其晶体结构的热电性能的各向异性，即是说，性能指数Z由于结晶方位不同而不同。为此，单晶材料是向热电性能大的结晶方位通电而使用。一般说来，各向异性晶体具有劈开性，材料强度脆弱，因此单晶不能作为实用材料使用，而使用布里兹曼法等使单向凝固并向热电性能大的结晶方位取向的材料。然而，单向凝固体材料虽然不单晶，但材料强度脆弱，存在着元件加工时容易产生破裂和碎片的问题。与这些晶体材料相比，粉末烧结材料无劈开性而且材料强度飞跃地提高，但是由于具有结晶方位取向无序或结晶取向性平稳分布，所以存在着电热性能比晶体材料差的问题。这样，迄今不存在兼具有充分强度与性能的热电半导体材料。也即是说，现在作为电子冷却元件通常使用的晶体材料为碲化铋(Bi2Te3)、碲化锑(Sb2Te3)、硒化铋(Bi2Se3)的混晶系，然而，这些晶体具有显著的劈开性，在通过为由锭制取热电元件的切片、切割工艺等过程中，存在着由于破裂或碎片而成品率极低的问题。为了提高机械强度，进行了制造粉末烧结元件的试验。这样，不是作为晶体使用，而是作为粉末烧结体使用时，失去了劈开性的问题，但是如前所述，由于取向性低，其性能变差，即存在着性能指数Z变小的问题。本专利技术是鉴于上述情况而开发的，其目的在于提供一种具有充分的强度与性能、且制造品率高的热电半导体材料。以下对说明书和权利要求书中所使用的术语定义进行说明。所谓晶粒的系指构成结晶组织的单位，由晶界包围其周围。例如，在粉末烧结材料的情况下，是起因于形成该烧结材料时的粉粒的物质。其次，所谓亚晶粒系指晶粒构成单位，而在本说明书中，称为结晶学上的单晶。这里，可认为晶粒有由一个亚晶粒组成的和由多个亚晶粒组成的两种，而在本说明书中，包括上述两种的任意一种。因此，若亚晶粒取向，则晶粒变为一致。本专利技术之一的特征是，包括按具有所希望的组分混合材料粉末并进行加热熔融的加热工艺；形成具有菱形结构(六面体晶体结构)的热电半导体材料固熔体锭的凝固工艺；将所述固熔体锭粉碎形成固熔体粉末的粉碎工艺；使所述固熔体粉末的粒径均匀化的选粒工艺；将已成为粒径均匀的所述固熔体粉末加压烧结的烧结工艺；将所述粉末烧结体通过热进行塑性变形并延展，使粉末烧结组织的晶粒依性能指数优良的结晶方位取向的热镦锻锻造工艺。上述专利技术的特征在于，所述的热镦锻的锻造工艺是通过热使所述粉末烧结体只沿单轴方向延展的热镦锻造工艺，是理想的。还有，上述专利技术的特征在于，所述的热镦锻的锻造工艺是沿着与所述烧结工艺中加压方向相一致的方向边加压边延展的工艺，是理想的。再有，上述专利技术的特征在于，包括在所述的热镦锻的锻造工艺之后，再进行热处理的热处理工艺，是理想的。本专利技术之二的特征在于，包括将以所希望的组分铋、锑、碲、硒为主要成分的混合物加热熔融，形成Bi2Te3系热电半导体材料的固熔体锭的形成工艺；将所述固熔体锭的锭形成工艺；将所述固熔体锭粉碎形成固熔体粉末的粉碎工艺；使所述固熔体粉末的粒径均匀化的选粒工艺；将已成为粒径均匀的所述固熔体粉末加压烧结的烧结工艺；将所述粉末烧结体通过热进行塑性变形并延展，使粉末烧结组织的晶粒依性能指数优良的结晶方位取向的热镦锻锻造工艺。上述专利技术的特征在于，所述的热镦锻的锻造工艺是通过热使所述粉末烧结体只沿单轴方向延展的热镦锻的锻造工艺，是理想的。上述的专利技术特征在于，所述的热镦锻的锻造工艺是沿着与所述烧结工艺中加压方向相一致的方向边加压边延展的工艺，是理想的。还有，上述的专利技术特征在于，包括在所述的热镦锻的锻造工艺之后，再进行热处理的热处理工艺，是理想的。再有，上述的专利技术特征在于，在所述的选粒工艺之后，所述烧结工艺之前，在氢气氛之中对所述固熔体粉末进行热处理的氢还原的工艺。本专利技术之三的特征在于，包括将以所希望的组分铋、锑为主要成分的混合物加热熔融，形成BiTe系热电半导体材料的固熔体锭的形成工艺；将所述固熔体锭粉碎形成固熔体粉末的粉碎工艺；使所述固熔体粉末的粒径均匀化的选粒工艺；将已成为粒径均匀的所述固熔体粉末加压烧结的烧结工艺；将所述粉末烧结体进行进行塑性变形并延展，使粉末烧结组织的晶粒依性能指数优良的结晶方位取向的热镦锻的锻造工艺。上述专利技术的特征在于，所述的热镦锻的锻造工艺是通过热使所述粉末烧结体只沿单轴方向延展的热镦锻的锻造工艺，是理想的。上述的专利技术特征在于，所述的热镦锻的锻造工艺是通过沿着与所述烧结工艺中加压方向相一致的方向边加压边延展的工艺，是理想的。还有，上述的专利技术特征在于，包括在所述的热镦锻的锻造工艺之后，再进行热处理的热处理工艺，是理想的。本专利技术之四的特征在于，提供将BiSb系热电半导体材料的粉末烧结材料热镦锻锻造并使其塑性变形，粉末烧结组织的晶粒依性能指数优良的结晶方位取向形成的热电半导体材料。本专利技术之五的特征在于，提供将Bi2Sb3系热电半导体材料的粉末烧结材料热镦锻锻造并使其塑性变形，粉末烧结组织的晶粒依其C轴取向形成的热电半导体材料。本专利技术之六的特征在于，提供将BiSb系热电半导体材料的粉末烧结材料在只沿单轴方向延展的状态下热镦锻造并使塑性变形，粉末烧结组织的晶粒依性能指数优良的结晶方位取向形成的热电半导体材料。本专利技术之七的特征在于，根据将Bi2Sb3系热电半导体材料的粉末烧结材料在只沿单轴方向延展的状态下热镦锻造并使其塑性变形，粉末烧结组织的晶粒依其C轴取向形成的电半导体材料。本专利技术之八的特征在于，提供具有将有菱形结构(六面体晶体结构)的p型及n型热电半导体材料的粉末烧结材料分别经热镦锻造，使其塑性变形，粉末烧结组织的晶粒劈开面一致取向的p型及n型热电半导体材料，和在所述p型及n型热电半导体材料上面及下面相互对向固着的各一对电极，以电流沿所述劈开面流动的方式构成的热电微型组件。本专利技术之九的特征在于，提供具有将p型及n型Bi2Te3热电半导体材料的粉末烧结材料分别经热镦锻造，使其塑性变形，粉末烧结组织的晶粒依其C轴取向的p型及n型热电半导体材料的粉末烧结材料，和在所述p型及n型热电半导体材料上面及下面互对向固着的各一对电极，以电流沿所述C轴垂直方向流动方式构成的热电微型组件。本专利技术之十的特征在于，所述热镦锻锻造工艺是在再结晶温度下将所述粉末烧结体热镦锻锻造工艺。本专利技术之十一的特征在于，所述热镦锻锻造工艺是在350℃以上550℃以下将所述粉末烧结体进行热镦锻锻造工艺。本专利技术之十二的特征在于，所述热镦锻锻造工艺是以粉末烧结体的密度比本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1．一种热电半导体材料的制造方法，其特征是包括按具有所希望的组分混合材料粉末并进行加热熔融的加热工艺；形成具有菱形结构(六面体晶体结构)的热电半导体材料固熔锭的凝固工艺；将所述固熔体锭粉碎形成固熔体粉末的粉碎工艺；使所述固熔体粉末的粒径均匀的选粒工艺；将已成为粒径均匀的所述固熔体粉末加压烧结的烧结工艺；将所述粉末烧结体通过热进行塑性变形并延展，使粉末烧结组织的晶粒或构成晶粒的亚晶粒依性能指数优良的结晶方位取向的热镦锻锻造工艺。2．根据权利要求1所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是所述热镦锻锻造工艺是使所述粉末烧结体通过热只单轴方向延展的热镦锻锻造工艺。3．根据权利要求1或2任一项权利要求所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是所述热镦锻锻造工艺是边沿着与所述烧结工艺中加压方向一致的方向加压边延展的工艺。4．根据权利要求1所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是所述热镦锻锻造工艺之后，还包括进行热处理的热处理工艺。5．根据权利要求1所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是通过所述加热工艺与所述凝固工艺，使以所希望的组分铋、锑、碲、硒为主要成分的混合物加热熔融，形成Bi2Te3系热电半导体材料的固熔体锭。6．根据权利要求5所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是包括在所述选粒工艺之后，所述烧结工艺之前，在氢气氛中对所述固熔体粉末进行热处理的氢还原工艺。7．根据权利要求1所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是通过所述加热工艺和所述凝固工艺，将以所希望的组分铋、锑为主要成分的混合物加热熔融，形成SiSb系热电半导体材料的固熔体锭。8．一种热电半导体材料，其特征是将BiSb系热电半导体材料的粉末烧结材料通过热镦锻锻造，使塑性变形，粉末烧结组织的晶粒或构成晶粒的亚晶粒依性能指数优良的结晶方位取向形成。9．一种热电半导体材料，其特征是将Bi2Te3系热电半导体材料的粉末烧结材料经热镦锻锻造，使塑性变形，粉末烧结组织的晶粒或构成晶粒的亚晶粒依C轴取向形成。10．一种热电半导体材料，其特征是通过将BiSb系热电半导体材料的粉末烧结材料作成只以单轴方向延展的形状进行热镦锻锻造，使塑性变形，粉末烧结组织的晶粒或构成晶粒的亚晶粒依性能指数优良的结晶方位取向形成。11．一种热电半导体材料，其特征是通过将Bi2Te3系热电半导体材料的粉末烧结材料只以单轴方向延展的形状进行热镦锻锻造，使塑性变形，粉末烧结组织的晶粒或构成晶粒的亚晶粒依C轴取向形成。12．一种热电微型组件，其特征是通过将具有菱形结构(六面体晶体结构)的P型及n型热电半导体材料的粉末烧结材料分别热镦锻锻造，使塑性变形，粉末烧结组织的晶粒或构成晶粒的亚晶粒的劈开面一致取向的P型及n型电热半导体材料，和在所述P型及n型热电半导体材料上面及下面相互对向固着的各一对电极，以电流沿所述劈开面流动的方式形成。13．一种热电微型组件，其特征是通过将p型及n型Bi2Te3系热电半导体材料的粉末烧结材料分别热镦锻锻造，使塑性变形，粉末烧结组织的晶粒或构成晶粒的亚晶粒依C轴取向的p型及n型热电半导体材料，和在所述p型及n型热电半导体材料上面及下面相互对向固着的各一对电极，以电流沿所述C轴垂直方向流动的方式形成。14．根据权利要求1或5或7所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是所述热镦锻锻造工艺是在晶粒生长温度下将所述粉末烧结体热镦锻锻造的锻造工艺。15．根据权利要求1或5或7所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是所述热镦锻锻造工艺是在350℃以上550℃以下将所述粉末烧结体进行热镦锻锻造工艺。16．根据权利要求1或5或7所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是所述热镦锻锻造工艺是以所述粉末烧结体的密度比最终成为97％以上进行热镦锻锻造工艺。17．根据权利要求1或5或7所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是所述热镦锻锻造工艺是将密度比为97％以上的所述粉末烧结体通过热镦锻锻造最终作成该密度比以上的工艺。18．根据权利要求1或5或7所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是所述热镦锻锻造工艺是在500kg/cm2以下的负载压力下将所述粉末烧结体热镦锻锻造工艺。19．根据权利要求1或5或7所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是所述热镦锻锻造工艺是在350℃以上550℃以下并且在500kg/cm2以下负载压力下，将所述粉末烧结体热镦锻锻造工艺。20．根据权利要求1或5或7所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是所述热镦锻锻造工艺是在70kg/cm2以上350kg/cm2以下的初期负载压力下将所述粉末烧结体热镦锻锻造工艺。21．根据权利要求1或5或7所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是所述热镦锻锻造工艺是在350℃以上550℃以下并且在70kg/cm2以上350kg/cm2以下的初期负载压力下将所述粉末烧结体热镦锻锻造工艺。22．根据权利要求1或5或7所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是所述热镦锻锻造工艺是在将所述粉末烧结体按自由方向延展之后，在控制该自由方向的状态下进一步加压的工艺。23．根据权利要求1或5或7所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是所述热镦锻锻造工艺之后，再将所述粉末烧结体热模锻的热模锻工艺。24．根据权利要求1或2或5或7所述的热电半导体材料的制造方法，其特征是多次反复地进行所述热镦锻锻造工艺。25．一种热电半导体材料，其特征是通过将Bi...

【专利技术属性】
技术研发人员：福田克史，佐藤泰德，梶原健，
申请(专利权)人：株式会社小松制作所，小松电子株式会社，
类型：发明
国别省市：