米乐m6官方网站 开发了一种兼具高蓄热密度和坚固性的相变蓄热部件

米乐m6官方网站[会长：中钵良二]（以下简称“AIST”）磁粉冶金研究中心[研究中心主任Kimihiro Ozaki]熵材料团队研究组组长Maya Fujita、首席研究员Hiroyuki Nakayama、首席研究员Yoshiaki Kinuchi都高蓄热兼具密度和坚固性的二氧化钒相变我们开发了一种蓄热材料。

迄今为止，AIST 一直在使用二氧化钒烧结我发现了我能做什么，但我能得到它烧结体太脆了，无法用作材料。这次我们开发了一种粉末原料，在烧结过程中引起钒和氧之间的特殊反应，使原本极难凝固成型的二氧化钒更容易烧结，并减少材料的相变。潜热，我们实现了一种具有蓄热功能、致密、坚固且可加工的二氧化钒散装材料。与传统的通过熔化发挥作用的潜热储存材料不同，当新开发的材料用作潜热储存材料时，它可以保持其形状而无需放置在容器中，因此不存在因容器本身或容器与容器之间的间隙而造成的废热损失。此外，形状和形式可以自由选择，因此可以直接内置于电气或机械部件中，用作热量/温度对策，或者可以内置于结构构件中，以有效利用未使用的热量或自然热量。该技术的详细信息将于2019年3月24日至26日在工学院大学（东京新宿区）举行的陶瓷协会2019年年会上公布。

冰、二氧化钒粉等传统材料与新开发的二氧化钒散装材料对比

节能和储能是旨在创建可持续发展社会的技术，但储能受到的关注不如节能。然而，最近，回收和利用未经使用而排放到环境中的热量（未使用的热量）的有效方法引起了人们的关注。特别是，储存热量并在需要时使用的储热技术有望取得进展。其中，利用伴随相变（例如从固体到液体的变化）的热变化（潜热）作为蓄热功能的相变材料由于具有高蓄热密度而得到积极开发。此外，由于其具有在产生潜热时温度不会变化的优点，因此相变储热材料有望用作电子设备和其他不喜欢剧烈温度变化的设备的热对策。然而，许多传统材料，例如冰水或石蜡，利用固体熔化成液体的相变，导致用于容纳液化材料的容器的热量损失。另一方面，也有一些材料无法熔化，因为它们利用了固体中电子的相变，例如二氧化钒，其单位体积的热变化与石蜡相当。然而，这些物质只能以粉末形式在工业上供应，因此很难将它们作为组件进行处理。特别是二氧化钒难以烧结，当在压力下强制固化时，晶体会变形，潜热降低。当使用树脂或玻璃等粘合剂固化时，二氧化钒的体积百分比显着降低，导致蓄热密度降低。

AIST 的目标是在工业上利用电子自由度引起的相变以及与该相变相关的热现象。电子旋转是啊轨道的同时参与而导致相变期间的热变化增加的现象，并建立一种利用相变来制造工业组件的方法。此次，我们基于现有的粉末烧结技术，致力于开发一种以二氧化钒为主要成分、兼具大的热变化和机械强度的块体材料。

这次，我们研究了氧化钒粉末烧结时发生的氧和钒之间的反应，并基于所获得的知识，我们设计了一种制备起始粉末的方法，即使不添加氧化钒以外的辅助材料，烧结也能显着进行（正在申请专利）。通过对该原料粉末进行烧结，得到以二氧化钒为主要成分的兼具高蓄热密度和坚固性的相变蓄热部件。即使使用简单的实验室设备，也可以轻松获得图 1 所示的大型盘状块体构件（直径 50 毫米 x 厚度 5 毫米）。该成员是维氏硬度Hv 300 或以上，抗压强度表示机械强度为160 MPa以上。如图2所示，与传统材料（未调整的二氧化钒粉末的烧结体）相比，该值显着提高，并且与针对零件加工调整的陶瓷材料（所谓的可加工陶瓷）相当。因此，可以通过切削等容易地加工成任意形状。此外，新开发的二氧化钒部件的蓄热密度约为250J/cm³)，表明它是一种块状材料，保持了二氧化钒粉末的大部分特性。此前已知，通过在二氧化钒粉末（相变温度70℃左右）中添加第三种元素，可以将决定蓄热工作温度范围的相变温度从5℃以下调节至近100℃。此次开发的技术对于添加了第三种元素的二氧化钒粉末也有效，能够制作出蓄热工作温度受到控制的部件。

常规0℃附近的蓄热材料为冰（蓄热密度333 J/cm³)，石蜡油脂(蓄热密度约150～200J/cm³)专为40℃至70℃范围内的蓄热应用而开发。虽然这些材料具有较高的蓄热密度，但在相变时它们都会熔化，因此需要容器等来保持形状并防止熔化相流出。然而，当热量在物体和储热部件之间传递时，容器等充当热阻，导致储热密度降低并且储热所需的时间延迟。新开发的储热材料具有与冰和石蜡相当的储热密度，其工作温度可以覆盖这些常规材料的工作温度范围。此外，由于它可以加工成具有蓄热能力的构件，因此可以想象，它可以加工成热交换器的翅片形状以直接与物体进行热交换，或者直接形成电子设备的壳体的一部分。

图1开发的相变储热部件 左侧为烧结件，右侧为切割后

图2 新开发的二氧化钒相变蓄热部件（开发材料）通过烧结 使用传统氧化钒粉末的构件的抗压强度比较（传统材料）

未来，我们将评估新开发组件的热传导，并进行材料设计，使其性能，如蓄热温度范围和蓄热量，可以根据使用目的进行调整。我们还将使用模拟热交换器的模块进行操作测试。此外，未来我们的目标是创建一种可以通过施加电场、压力等主动储存和释放热量的操作。

◆蓄热

外部热量在物质内部的储存称为储热。难以加热或冷却的物质有可能被用作蓄热材料，但这些物质大致可分为比热（显热）大的情况，比热（显热）表示物质本身加热或冷却的容易程度，以及与物质的相变相关的潜热（在相变温度附近加热时吸收热量，在冷却时放热）大的情况。前者的一个常见例子是使用混凝土或天然石材进行隔热，后者是冰（潜热333 J/cm³) 通过积极利用热存储，可以存储未使用的热量并在需要时提取以供使用。[返回来源]

◆相变

固体或液体等物质的状态称为“相”，固体熔化并变成液体的变化称为相变（或相变）。 “相”不仅涉及原子和分子，还包括金属（相）变为绝缘体（相）等变化。这种相变的发生是因为电子的相发生变化，而二氧化钒是引起这种电子相变的材料。[返回来源]

◆烧结体/烧结体

当固体细粉末紧密排列形成聚集体并且该聚集体保持在熔点以下的高温时，粉末之间会发生扩散诱导的结合。随着这种变化的进一步进行，整个聚集体变得致密，形成称为烧结体的成型体。对于高温状态的实现没有特别限制，也可以将骨料保持在高温炉中，或者利用通过使粉末通电而产生的焦耳热。在烧结过程中，除了使粉末结合之外，还可以促进各种反应。得到的烧结体可以作为原料进行加工成型，也有计算烧结前后的体积变化后赋予骨料形状，将刚烧结后的烧结体的形状控制为接近最终形状的方法。[返回来源]

◆潜热

在相变中，诸如水结冰之类的快速变化总是涉及热量的变化，这种变化称为潜热。一个常见的例子是液体转变为气体时产生的汽化热（吸热）。当气体液化时，这是相反的变化，潜热的符号与蒸发的符号相反，液化热（散热）作为潜热产生。[返回来源]

◆旋转

除了电荷之外，电子还由于称为自旋的内部状态而具有磁极。当固体中的电子自旋从均匀状态变为无序状态时会发生相变，称为铁磁-顺磁相变，热变化伴随着磁变化而发生。与气液变化类似，如果由于自旋变化引起的相变陡峭，则热变化也会很大。[返回来源]

◆轨道

固体中的电子不能自由移动；它们在原子和其他电子之间的键的影响下沿着规则的轨迹移动。这称为轨道。当电子从在固体中移动的金属相转变为固定在每个原子上的绝缘相时，轨道模式也会发生显着变化，导致潜热发生变化。 [返回来源]

◆维氏硬度

它是物质硬度的指标之一。将金刚石四角锥体在恒定载荷下压在试件表面上，根据试件表面上产生的压痕面积与载荷之间的关系计算维氏硬度Hv。不锈钢、钢等合金的Hv为150～300左右，陶瓷的情况下，氧化铝的Hv超过1000，但机械加工调整的陶瓷的Hv为200～500左右。[返回来源]

◆抗压强度

从上方和下方对已调整横截面积和高度的试验样本施加载荷，并测量强度作为断裂发生前能够承受的载荷值。一般混凝土为数十MPa，钢材为100～300MPa左右，氧化铝可调整至2000MPa以上，但机械加工用氮化硼为50～100MPa左右。[返回来源]