国立先进产业科学技术研究所 [主席：石村和彦]（以下简称“AIST”）磁粉冶金研究中心[研究中心主任：Kimihiro Ozaki] 熵材料团队首席研究员木内义明，研究组组长藤田麻也，首席研究员中山博之是具有优异热响应性的固体相变材料（PCM）
不熔化的固体PCM潜热，因此作为保持形状的蓄热材料是有用的。 AIST 开发了使用机械强度优异的二氧化钒陶瓷的固态 PCM (AIST 2019 年 3 月 1 日新闻稿）。但这种材料存在导热系数低、内部潜热难以传递的问题。因此，在快速吸热的应用中，二氧化钒的大量潜热无法得到有效利用。因此，这次，通过在高导热率金属和二氧化钒之间形成没有任何杂质层的界面，我们成功开发了具有高导热率的金属分散固体相变材料。由于其因潜热而产生的吸热效应以及与金属相当的高导热性，有望用于电子设备和其他设备的散热组件。此外，与之前开发的二氧化钒陶瓷相比，该材料的耐水性显着提高，有望用于水共存的环境，例如热交换器中。
这项技术的详细信息将于 2020 年 10 月 28 日至 30 日举行的第 41 届日本热物理性能研讨会上公布。
新开发的金属分散固体PCM
加工品（左），内部微观结构（中，灰色：金属，黑色：VO2)，分散金属和VO2的界面合成图像（右）
最近，功率器件等电子器件的温度控制成为了一个问题。例如，电动汽车中使用的功率器件存在在运行过程中瞬间产生大量热量的问题，并且热负荷可以在几秒钟内迅速增加到标称热负荷的数倍，从而产生器件过热的风险。为了避免高热量引起的故障，电子设备的热管理需要高散热效率。
为了应对短时间内产生大量热量的现象，正在考虑采取措施将多余的热量储存在PCM中并抑制温度快速升高。这利用了相变期间 PCM 的温度在相变温度下保持恒定的事实。 AIST旨在利用固态PCM不涉及熔化的特性，建立使用它的电子设备的温度控制技术。目前，我们已经开发出采用二氧化钒陶瓷的固态PCM，这项技术已经得到了很多行业的积极反馈，目前我们正在考虑尽快将其商业化。
电流熔融型相变材料用作储热材料时，可有效提高热管理系统的热容量，但由于导热系数低，存在热响应差的问题。使用二氧化钒等固体相变材料的蓄热材料的热导率比传统相变材料高十倍以上，但仍只有几个W/m·K，因此无法期待高热响应性。将材料与高导热材料相结合是改善热响应的有效手段，但挑战在于抑制两者之间界面的热阻。此次，我们发现，利用产业技术研究院的技术，将高导热性金属与二氧化钒结合，促进二氧化钒的表面反应性，从而形成具有优异密合性的界面。当使用透射电子显微镜观察该界面时，发现即使在纳米水平上也形成了没有反应相和扩散层等杂质层的界面（图1）。这种界面能够实现具有低热阻、导热率与金属相当（约70 W/m·K）和大潜热（约100 J/cm3))（图 2）。这些值可以通过改变要组合的金属量来调整。有望用作电子设备等的散热对策部件。
另一方面，由于氧化钒形成水合物，因此人们担心其在工业应用中的耐水性。此外，由于它是由陶瓷制成的，因此可加工性也是一个问题。这次，我们发现通过分散金属可以显着改善这些问题。此前研制的二氧化钒陶瓷在水中浸泡半年多，形状没有变化，只是水因腐蚀而变色、浸出。当应用于热交换器等时，这种腐蚀会造成技术问题。在金属分散固态相变材料中，选择合适的金属阴极保护获得效果，耐水性大幅提高。在使用强酸的加速耐腐蚀试验中，在稀硝酸中浸泡6小时，传统的二氧化钒陶瓷很容易被稀硝酸腐蚀，溶液也呈蓝色，但本次的金属分散固体PCM没有明显的溶液着色或形状变化，其耐腐蚀性（耐水性）大大提高（图3）。在机械加工方面，导电性和韧性的提高使得陶瓷加工中使用金刚石磨石的磨削和切削、利用导电性的放电加工以及金属加工中使用硬质合金工具的切削成为可能。
图1 使用透射电子显微镜观察金属和二氧化钒界面的成分图像
图2 各种材料的导热系数与潜热的关系
图3 使用稀硝酸的加速耐腐蚀性测试结果
为了实际使用，我们将开始提供新开发的金属分散固体 PCM 的付费样品。我们还将进行材料设计，以便根据使用目的调整蓄热温度范围和蓄热量等热性能。