admin 开发了一种新型合金，可以在不依赖温度的情况下，在必要时施力取出热量
发表刊登日期: 2023/03/08
开发了一种新型合金，可以在不依赖温度的情况下，在必要时施力取出热量-将白天储存的热量在夜间有效释放等，成为蓄热系统的核心技术-
重点开发了用外力控制材料蓄热和散热的技术
在任意温度下，成功取出了新开发合金中积蓄的热量
通过废热的有效利用为实现碳中和做出贡献
(上)通过应力提取热量时的示意图。 (下)当温度因升温而下降时，通过对线圈施力可以取出合金中蓄积的热量。
概要国立研究开发法人产业技术综合研究所(以下称为“产总研”)磁性粉末冶金研究中心电子学材料团队中山博行主任研究员、藤田麻哉队长、杵鞭义明主任研究员通过使用TiNi系相变合金，开发了可以在以前无法蓄热散热的温度范围内工作的蓄热材料的制作方法。 这种合金通过施加外力，无论环境温度如何，都能提取出储存的热量。 另外，该技术的详细情况将于2023年3月9日(日本时间)在“日本金属学会春季演讲大会”上发表。
开发的社会背景为了有效利用工厂和机器产生的废热，蓄热材料备受瞩目。 特别是除了储存废热外，还要求在需要的时候提取热量。 例如，白天储存的热量，在夜间气温下降时使用等。 但是，传统的蓄热材料利用的是水和石蜡等相变中的熔解和凝固所伴随的潜热，如果周围没有达到一定的温度，一般不会发生材料的吸放热。 另外，吸热和散热温度没有很大的差异，如果温度和积蓄热量时相同就会散热，因此可以错开空间时间使用的温度带受到限制也是个问题。 与此相对，利用固体中的相变，在应力等外场控制相变温度，推进了随时都能取出热量的材料的开发。 如果能由金属制成蓄热材料，与其他蓄热材料相比，在成形容易、热响应快方面具有优势。
研究的经过产总研着眼于TiNi系马氏体合金，开发了作为蓄热材料的用途。 迄今为止，蓄热材料利用了例如水和冰这样的液体和固体的相变。 但是，这种相变材料很难转化为适合用途的工作温度，而且吸热和散热的温差小，即使在高温下蓄热也会立即释放，无法保持到实际需要利用的低温。 另一方面，当TiNi系合金升温时，结晶结构保持固体状态从低温相相变到高温相。 另外，高温相可以通过施加人的力程度的应力(抬起数十kg左右物体的力)相变为低温相。 相变伴随着潜热引起的自发吸放热，所以可以用于蓄热。 但是，迄今为止的TiNi系合金没有得到实用要求的大潜热。 另外，也无法根据吸热和散热的温差进行控制。
研究内容此次，在通过改变组成来提高蓄热能力的合金中，开发了通过利用合金内部的残馀应力来改变其散热和吸热的温度，还可以调整吸散热的温度差的材料。 结果，利用以往的固体-液体的相变时，吸散热温度几乎没有差别，与此相对，本开发能够开发出能够使其差达到20 ℃以上的新型合金，能够在该温度之间蓄热。 再加上，通过对得到的合金施加数百MPa左右的拉伸应力(在直径1 mm左右的金属线上抬起数十kg左右的物体的力)，通过相变使其散热，成功地取出了合金内部的热。 作为一个例子，对直径1.5 mm的合金线进行冷轧直到截面减少率达到35%以上，对它们在大气中以400℃~ 600℃的温度进行了1小时的退火处理。 调查合金吸热和发热行为的差示扫描量热仪( DSC )的结果如图1所示。 根据该结果可知，除了相变结束温度(▲)和相变开始温度(▼)相对于未处理材料变化到加热时的高温相之外，其温度差也变大了。 由峰面积计算冷却时向低温相相变时热量时，所有试样均为20〜24 J/g (约130〜150 J/cm3 )，确认了将通过热处理开始向低温相相变的温度调整到20 ℃到45 ℃的范围内的试样，达到了目标蓄热量。
图1冷轧后，在各温度下在大气中进行了1小时热处理的试样的DSC曲线。 加热时向高温相相变的结束温度(▼: T3 )和降温时的向低温相相变的开始温度(▲: T2 )与未处理材料相比发生了变化。
在图2中，将调节了动作温度( 400 ℃、热处理1小时)的试样升温到60 ℃左右进行了蓄热。 然后，将试料腔冷却至低于室温的13 ℃，确认试料温度与腔一致后，显示施力散热的结果。 达到负荷120 N (在直径1 mm左右的金属线上抬起12〜13 kg左右物体的力，相当于150 MPa左右)时，试样的温度从13 ℃上升到22 ℃。 在该实验中，减慢了施加力的速度，考虑到外部因素(拉伸夹具和向环境的热逃逸等)，估算了散热开始时刻(时间: 0秒)的试样温度上升(外推)，结果约为22 ℃。 另外，将经500 ℃、1小时热处理后的试样升温至80 ℃后，将试样室降温至42 ℃，在试样温度与室一致的环境下进行同样的试验时，确认了试样温度上升至48 ℃。 此时，通过外推估算散热开始时试样的温度上升为38 ℃。 也就是说，此次开发的相变型蓄热合金中蓄积的热量即使在材料温度下降20 ℃以上的低温环境中也能保持，证实了用较小的力( 120 N )就能有效地提取热量。 以上结果与例如在电动汽车中，预先蓄积在工作高峰时被加热到高温的电机等的排热，在停止时等低温环境下，能够以较小的力将蓄积的热量释放并供给到电池的起动等需要热的部分。
图2冷轧后，对在400 ℃下进行了1小时热处理的合金施加拉伸变形时的试样温度变化。 试料暂时升温到60 ℃进行蓄热后(加热时的相变结束温度为42 ℃)，降温到13 ℃。
今后的计划今后为了能够根据目的调整动作温度，将推进合金设计、加工热处理的优化。 另外，利用作为蓄热部件的可搬运性和模块化，或者对应力动作有效的形状的加工自由度，以通过对线圈和薄板等各种形状的加工实现部件化为目标。
用语解说TiNi 通过两种过渡金属的组合表现出马氏体相变的合金。 即使在接近生活环境的温度和低应力下也会相变。 一般称为尼醇，作为利用部件形状相变引起的变化的形状记忆合金和超弹性合金，被用于各种部件。 近年来，该相变潜热大的情况广为人知，作为蓄热材料的应用逐渐受到关注。 虽然Ti (钛)和Ni (镍)的比率变化和其他元素的添加会导致潜热变化，但仅在狭小的组成范围内得到了较大的潜热。 因此，如果调整根据组成产生吸放热的相变温度，潜热减少，不能兼顾蓄热能力和工作温度。 另外，即使因应力发生相变，由于吸热和发热的温度差小，能够进行应力动作的温度范围也很窄，难以控制热的出入。 发生相变的合金。 相变的详细情况参照下述。 温度下降，从水变成冰时，水内部的热量会释放出来。 这种热叫做潜热。 相反，冰变成水时，相当于潜热的外部热量被冰吸收。 不仅是冰水的变化，物质状态变化时潜热也会出入。 相变合金的情况下，在维持固体状态的情况下潜热出入。 固体、液体、气体称为物质的相，相随温度等外部环境而变化。 固体―液体等性状差异较大的情况称为“相变”，而保持固体的原子排列和电子态的变化称为相变或相变。 特别是在金属材料中，原子处于规则排列的(晶格)状态，但该晶格的对称性(斜方体-立方体)有时会随着温度而变化，不伴随原子的交换(扩散)的对称性变化称为马氏体相变。 表示对单位面积负荷了多少负荷的指标。 MPa是应力的单位之一，1 MPa是每平方毫米承受约0.1 kg重量的状态。 马氏体合金 产生被称为马氏体相变的相变的合金。 金属材料根据温度不同，原子的规则配置也有不同的情况。 该配置发生变化时，原子向一定方向一齐移动，原子的相对位置关系不变化，晶体结构发生变化的相变。 另外，不仅是温度，应力也会导致该相变发生。
图为马氏体相变的示意图。 冷却高温相时，原子同时沿一定方向(在这种情况下为横向)运动，生成低温相。
同样，通过施加箭头所示的外力也会产生低温相。
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