(57)【要約】      （修正有）【課題】ゼーベック係数の大きな熱電変換材料として優れた新規材料の提供。【解決手段】α相のＣｅ2 Ｓ3 粉末、または該粉末をβ単相化した粉末原料の焼結体であって、結晶構造がβとγの混合相からなり、ゼーベック係数が６０℃で１０００（μＶ／Ｋ）以上の値を有する硫化セリウム焼結体。酸素濃度が０．９〜１．７質量％、炭素不純物濃度が０．１質量％以下のα相のＣｅ2 Ｓ3 粉末原料、または該粉末を真空加熱によりβ単相化した粉末原料を内面に六方晶層状型窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）を被覆した炭素製型に入れ、真空中で１６００〜２０００Ｋで、β相が消滅しない処理時間内で加圧焼結してβとγの混合相を形成する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
α相のＣｅ２Ｓ３粉末原料の焼結体であって、結晶構造が焼結により生成したβ相とγ相
との混合相からなり、ゼーベック係数が６０℃で１０００（μＶ／Ｋ）以上の値を有する
ことを特徴とする硫化セリウム焼結体。
【請求項２】
α相のＣｅ２Ｓ３粉末をβ単相化した粉末原料の焼結体であって、結晶構造が焼結により
消滅しなかったβ相と焼結により生成したγ相との混合相からなり、ゼーベック係数が６
０℃で１０００（μＶ／Ｋ）以上の値を有することを特徴とする硫化セリウム焼結体。
【請求項３】
請求項１乃至２のいずれかに記載の硫化セリウム焼結体からなることを特徴とする熱電変
換材料。
【請求項４】
酸素濃度が０．９〜１．７質量％、炭素不純物濃度が０．１質量％以下のα相のＣｅ２Ｓ
３粉末原料を、内面に六方晶層状型窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）を被覆した炭素製型に入れ、
真空中で１６００〜２０００Ｋで、β相とγ相とが生成し、かつβ相が消滅しない処理時
間内で加圧焼結することを特徴とする請求項１に記載の硫化セリウム焼結体の製造方法。
【請求項５】
酸素濃度が０．９〜１．７質量％、炭素不純物濃度が０．１質量％以下のα相のＣｅ２Ｓ
３粉末原料を真空加熱によりβ単相化した粉末原料を、内面に六方晶層状型窒化ホウ素（
ｈ−ＢＮ）を被覆した炭素製型に入れ、真空中で１６００〜２０００Ｋで、γ相が生成し
、かつβ相が消滅しない処理時間内で加圧焼結することを特徴とする請求項２に記載の硫
化セリウム焼結体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、熱電変換材料として有用な、大きな熱起電力を有する硫化セリウム焼結
体及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電変換材料の応用は、多岐に亘っている。熱エネルギーを電気エネルギーに変換するク
リーンエネルギー源としての利用が最も期待されるところであるが、ペルチェ効果を利用
するものとして小型冷凍器、放熱板、高温槽、電熱用等が考えられ、また実現されている
。
【０００３】
熱起電力は、２種の電気伝導体を接合したとき２接点間の温度差ΔＴにより発生する電圧
Ｖで、それらの間にはＶ＝αΔＴの関係がある。このαのことをゼーベック係数という。
この熱起電力を利用して、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する際に、熱電材料の有
効性を示す指標として、電気伝導度σ、熱伝導度κを使って、式、Ｚ＝α2 σ／κ、で示
される性能指数Ｚが用いられている。このＺの値の大きい材料ほど優れた熱電材料となる
。
【０００４】
既に報告され、又は利用されている熱電材料は多く、現在最も大きい性能指数が得られて
いるのはＢｉ−Ｔｅ系の物質で、約３×１０-3（／Ｋ）の値を示しているが、それらの物
質のゼーベック係数の値は、約２００（μＶ／Ｋ）程度である（非特許文献１）。
【０００５】
希土類元素の硫化物は、大きなゼーベック係数を持ち、ランタノイド三二硫化物の中でも
ＬａからＮｄまでの硫化物は、低温安定相である斜方晶のα相から正方晶のβ相、さらに
、高温安定相である立方晶Ｔｈ3 Ｐ4 型のγ相へと不可逆変態し、特に、Ｌａ2 Ｓ3 は、
３７３Ｋで＋３５４μｖ・ｄｅｇ-1、Ｃｅ2 Ｓ3 は、３７３Ｋで＋５７４μｖ・ｄｅｇ-1
のゼーベック係数を有する熱電材料であることが報告されている（非特許文献２）。
【０００６】
また、硫化ランタンＬａ3-x Ｓ4 及びＬａ−Ａ−Ｓ系（ＡはＣａ又はＢａ）において、最
大２．９×１０-4（／Ｋ）の性能指数が得られたことが報告されている（非特許文献３）
。しかし、そこで報告されているゼーベック係数は最大値で約１００（μＶ／Ｋ）である
。なお、本発明者らは、Ｃｅ2 Ｓ3 粉末の結晶構造、化学分析値、粒度分布等に関して先
に発表した（非特許文献４）。
【０００７】
【非特許文献１】「実用新素材技術便覧」通産資料調査会、１９９６、９０４
【非特許文献２】ゲ・ヴェ・サムソノフ他：「硫化物便覧」、日・ソ通信社、１９７４、ｐ１０８
【非特許文献３】勝山 茂  他  「熱電変換シンポジウム´９９論文集」、１９９９、５６
【非特許文献４】Ｓ．Ｈｉｒａｉ  ｅｔ  ａｌ．，Ｊ．Ａｍ．Ｃｅｒａｍ．Ｓｏｃ．，８１，１９９８，１４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
熱電変換材料の上述の性能指数Ｚを求める式において、３種の物理的性質がその値を決定
しているが、ゼーベック係数αの値は２乗でＺの値を大きくすることから、このα値の大
きな物質がより優れた熱電材料となり得る。そこで、本発明は、大きなゼーベック係数α
を持ち、高い性能指数Ｚを持つ新規な材料の開発を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、Ｌａ2 Ｏ3 粉末を用いたＣＳ2 ガス硫化法によりＬａ2 Ｓ3 粉末を合成、
１０２３Ｋ以上の硫化温度ではβ−Ｌａ2 Ｓ3 （＝Ｌａ10Ｓ14Ｏ）単相が得られること確
認し、このβ相中の酸素濃度は、硫化時間を２８．８ｋｓ一定とした場合、１０２３Ｋで
は０．９１質量％（炭素不純物濃度は０．０２質量％）、１２７３Ｋでは０．１８質量％
となり、高温の硫化ほど酸素濃度が低下することを報告してきた（平井ら；「第１２４回
日本金属学会春期大会講演概要」、１９９９、１４９）。
【００１０】
同様の方法によりセリウム硫化物粉末も合成できた。得られたセリウム硫化物粉末は、Ｘ
ＲＤ法により構造解析を、また化学分析によりその組成を決定した。セリウム硫化物粉末
は、αの結晶構造を持つＣｅ2 Ｓ3 であることを確認した。また、Ｃｅ2 Ｓ3 の酸素濃度
及び炭素不純物濃度は、例えば、硫化時間２８．８ｋｓ、９７３Ｋでは酸素濃度１．３０
質量％、炭素不純物濃度０．１０質量％であった。
【００１１】
本発明者らは、上記のＣＳ2 ガス硫化法により合成した炭素不純物濃度が小さく、酸素濃
度が一定範囲の高純度のα相のＣｅ2 Ｓ3 粉末、又はα相のＣｅ2 Ｓ3 粉末をβ単相化し
た粉末を原料として、それらを適当な圧力、温度条件において真空中で焼結することによ
り、α相のＣｅ2 Ｓ3 粉末を用いた場合、焼結により生成したβ相とγ相との混合相の焼
結体、α相のＣｅ2 Ｓ3 粉末をβ単相化した粉末を用いた場合、焼結により生成したγ相
に焼結により消滅しなかったβ相が混合した相の焼結体となり、この混合相の焼結体は、
同一粉末を用いて焼結して生成したγ相単相の焼結体より大きなゼーベック係数を持ち、
原料粉末の酸素濃度と焼結温度の条件を選択することにより非常に大きなゼーベック係数
を持つ硫化セリウム 焼結体を作製できることを見出した。
【００１２】
すなわち、本発明は、α相のＣｅ2 Ｓ3 粉末原料の焼結体であって、結晶構造が焼結によ
り生成したβ相とγ相との混合相からなり、ゼーベック係数が６０℃で１０００（μＶ／
Ｋ）以上の値を有することを特徴とする硫化セリウム焼結体である。
【００１３】
また、本発明は、α相のＣｅ2 Ｓ3 粉末をβ単相化した粉末原料の焼結体であって、結晶
構造が焼結により消滅しなかったβ相と焼結により生成したγ相との混合相からなり、ゼ
ーベック係数が６０℃で１０００（μＶ／Ｋ）以上の値を有することを特徴とする硫化セ
リウム焼結体である。
【００１４】
また、本発明は、上記の硫化セリウム焼結体からなることを特徴とする熱電変換材料であ
る。
【００１５】
また、本発明は、酸素濃度が０．９〜１．７質量％、炭素不純物濃度が０．１質量％以下
のα相のＣｅ2 Ｓ3 粉末原料を、内面に六方晶層状型窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）を被覆した
炭素製型に入れ、真空中で１６００〜２０００Ｋで、β相とγ相とが生成し、かつβ相が
消滅しない処理時間内で加圧焼結することを特徴とする上記の硫化セリウム焼結体の製造
方法である。
【００１６】
また、本発明は、酸素濃度が０．９〜１．７質量％、炭素不純物濃度が０．１質量％以下
のα相のＣｅ2 Ｓ3 粉末原料を真空加熱によりβ単相化した粉末原料を、内面に六方晶層
状型窒化ホウ素（ｈ−ＢＮ）を被覆した炭素製型に入れ、真空中で１６００〜２０００Ｋ
で、γ相が生成し、かつβ相が消滅しない処理時間内で加圧焼結することを特徴とする上
記の硫化セリウム焼結体の製造方法である。
【００１７】
本発明の製造方法において、α相のＣｅ2 Ｓ3粉末原料中の酸素濃度は０．９〜１．７質
量％とする。このように酸素濃度範囲を規定するのは、粉末原料中の酸素濃度は、焼結体
の単相化やゼーベック係数に影響を及ぼすからである。例えば、焼結温度を１９７３Ｋ一
定とした場合、酸素濃度が０．１８質量％のβ単相粉末を出発原料に用いるとγ単相の焼
結体が得られ、一方、酸素濃度が０．９１質量％のβ単相粉末ではγとβの混合相の焼結
体が得られる。
【００１８】
このような、γ相が安定な高温においてβ相のＣｅ2 Ｓ3が消滅せず、α相のＣｅ2 Ｓ3か
らβ相が生成することは、Ｎｄ2 Ｓ3 やＰｒ2 Ｓ3 の場合と同様に酸素に影響され、β相
が正方晶の単位格子の中心にＯ2-を配位しているためと推定される。上記の酸素濃度範囲
以外では、大きなゼーベック係数を得るのは困難である。
【００１９】
粉末原料中の不純物炭素濃度も焼結体の単相化やゼーベック係数に影響を及ぼす。炭素不
純物濃度が大きいと、炭素は焼結中に酸素と反応して気化し、酸素濃度が不足となる。粉
末原料中の炭素不純物濃度は、ＬＥＣＯ社製の同時分析装置により測定して検出されない
ことが望ましく、許容濃度は０．１質量％以下、より好ましくは０．０８質量％以下であ
る。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、硫化セリウム焼結体のゼーベック係数の最も大きい値は、９７００（μ
Ｖ／Ｋ）が得られる。ゼーベック係数が６０℃で１０００（μＶ／Ｋ）以上であれば、熱
電材料として有用性が大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の製造方法において、出発原料のＣｅ2 Ｓ3 粉末は、ＣＳ2 ガス硫化法によって製
造したものを用いる。Ｃｅ2 Ｓ3 粉末の粒径は７０μｍ以下が好ましい。粒径が７０μｍ
を超える粒子が存在すると焼結性が劣化する。粒子の小さい方は、焼結性に影響しないの
で粒径の下限は特に限定されない。
【００２２】
粉末原料中の酸素濃度は、硫化時間を一定とした場合、高温の硫化ほど酸素濃度が低下す
る傾向があることが知られている（前記の平井ら；「第１２４回日本金属学会春期大会講
演概要」、１９９９、１４９）ので、硫化温度の調整により酸素濃度を調整できる。粉末
原料中の酸素濃度が多い場合には焼結温度は高めとする。
【００２３】
加圧焼結によりβ相及びγ相の混合相の焼結体を作製するためには、内面にｈ−ＢＮを塗
布して被覆した炭素製型を用いる。炭素製型の内面に塗布したｈ−ＢＮは、炭素製型から
炭素が不純物として焼結体に侵入するのを防ぐとともに、炭素製型から焼結体を取り外す
際の離型剤としての働きがある。
【００２４】
真空中、好ましくは３×１０-4Ｐａ以下の真空雰囲気中にて黒鉛製型中で１６００〜２０
００Ｋまで一定の昇温速度で粉末原料を加熱し、続いて、０〜２．７ｋｓ保持して、所定
の圧力、例えば、２０ＭＰａ、又はそれ以下の圧力を加えながら焼結（ホットプレス）す
ることにより緻密な焼結体を作製する。加圧焼結の際の温度条件、保持時間は、β相とγ
相の混合相が形成される範囲で選択する。β相が無くならないでγ相が生成する温度領域
は１６００〜２０００Ｋ、より好ましくは１８００〜２０００Ｋの範囲であるが、高温で
長時間となるとβ相が消滅する。
【実施例１】
【００２５】
純度９９．９９％、平均粒径２．２５μｍの酸化セリウムＣｅ2 Ｏ3 粉末を石英ボートに
乗せて電気炉内に挿入し、Ａｒ雰囲気中で温度９７３Ｋに加熱し、ＣＳ2 溶液中から気化
させたＣＳ2 ガスをＡｒ搬送ガスを用いて導入し、８時間の硫化を行った。反応後の粉末
はＸ線回折法によりα相単相であることを確認した。また、組成については、希土類金属
をキレート滴定法、硫黄、炭素、酸素をＬＥＣＯ社製の同時分析装置により決定した。そ
の結果、Ｃｅ1.65Ｓ3.00Ｏ0.18Ｃ0.027(酸素０．９質量％、炭素０．１質量％）の組成を
得た。
【００２６】
このα相のＣｅ2 Ｏ3粉末をｈ−ＢＮで内面を被覆した黒鉛製型に入れ、２０ＭＰａの圧
力を加えながら１６７３Ｋまで加熱し、１１時間保持した後加熱を終了させ、焼結体を作
成した。得られた焼結体はＸ線回折法による構造解析からβ相とγ相の混合相であること
を確認した。得られた焼結体を３×３×５（ｍｍ3 ）に切り出して試料とし、ゼーベック
係数を測定し、６０℃で９７００（μＶ／Ｋ）の値を得た。
【実施例２】
【００２７】
実施例１のα相のＣｅ2 Ｏ3粉末をさらに１４７２Ｋ、７．２ｋｓの真空加熱を行うこと
によりβ単相化した後、このβ相のＣｅ2 Ｏ3粉末をＢＮで内面を被覆した黒鉛製型に入
れ、２０ＭＰａの圧力を加えながら１６７３Ｋまで加熱し、１１時間保持した後加熱を終
了させ、焼結体を作成した。得られた焼結体はＸ線回折法による構造解析からβ相とγ相
の混合相であることを確認した。得られた焼結体を３×３×５（ｍｍ3 ）に切り出して試
料とし、ゼーベック係数を測定し、６０℃で１４５６（μＶ／Ｋ）の値を得た。
［比較例１］
【００２８】
実施例１と同様のＣｅ1.65Ｓ3.00Ｏ0.18Ｃ0.027(酸素０．９質量％、炭素０．１質量％）
の組成のα相のＣｅ2 Ｏ3粉末を出発原料とした。ｈ−ＢＮで内面を被覆した黒鉛製型に
入れ、２０ＭＰａの圧力を加えながら１９７３Ｋまで加熱し、１１時間保持した後加熱を
終了させ、焼結体を作成した。得られた焼結体はγ相単相であることを確認した。β相は
高温での長時間保持により消滅したものと推定される。この試料を３×３×５（ｍｍ3 ）
に切り出してゼーベック係数を測定した結果、６０℃で２３４（μＶ／Ｋ）の値であった
。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の硫化セリウム焼結体は、高温半導体特性と大きなゼーベック係数を持ち、熱電変
換材料として優れた材料である。また、硫化セリウム焼結体は、高い融点（２１６３±５
０Ｋ）を持ち、顔料等の用途の他に高清浄金属溶解用耐火物としての用途を有している。