欠陥極少化NiMnGa強磁性形状記憶合金粒子とそれによる高効率磁気冷却材料の開発
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22K14491
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 26030:Composite materials and interfaces-related
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
CHIU WANTING 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (10835870)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,600,000 (Direct Cost: ¥2,000,000、Indirect Cost: ¥600,000)
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| Keywords | Ni-Mn-Ga / 強磁性形状記憶合金 / 形状記憶合金 / 磁気冷却 / NiMnGa / 複合材料 / 単結晶 |
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| Outline of Research at the Start |
持続可能な開発目標は2015年に国連サミットで採択され、再生可能エネルギー(例: 磁気冷却)が注目されている。
NiMnGa合金は有望な磁気冷却材料であるが、合金中に転位等の格子欠陥が存在すると、磁場方向の変化による磁壁移動のヒステリシス損失が起き、磁気熱量効果が低下する。
本研究では、通常は有害な粒界脆化を利用し、均一形状で欠陥が少ないNiMnGa単結晶粒子の作製工程を確立する。さらに、磁気冷却のためのNiMnGa単結晶粒子/Cu板の積層複合材料を開発する。
形状自由度が高く大面積化できる高効率磁気冷却材料を実現する。また、赤外線カメラを使用し、複合材料の熱伝導性、磁気冷却効果等を3D評価する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、分散相として使用するBi元素を微量添加することによって、意図的にNi-Mn-Ga合金の結晶粒を分散し、脆化した。脆化した粒子を一定な温度でNi-Mn-Ga-(Bi)合金を機械粉砕し、単結晶粒子を成功に作製した。さらに、前述の粒界工学を行うことによって、欠陥が極めて少ない単結晶Ni-Mn-Ga粒子の作製を達成できた。熱分析、微細構造などの観察により、本研究で作製したNi-Mn-Ga粒子は、単結晶であることを確認した。
また、Biの添加量を最適化するために、Biの添加量を微調整した。0.00、0.01、0.03、0.05 at.%のBiをそれぞれ、Ni-Mn-Ga合金にドーピングし、インゴットを作製した。Biの微量添加によって、明瞭的な結晶粒微小化が観察された。0.05 at.%のBiの添加の合金では、微かなBiがNi-Mn-Ga合金に固溶した。一方、0.03 at.%のBiを添加した合金では、Biの固溶量が極めて少ないうえ、結晶粒の大きさは、0.05 at.%のBiを添加した合金とほとんど同程度であることを確認した。以上のことから、0.03 at.%のBiの添加量は最適である。
さらに、機械粉砕の効率を確認するために、Biを添加したNi-Mn-Ga合金をそれぞれ2Dと3Dの分析を行った。微細組織の観察（SEM像など）で2Dの分析を行った。一方、粉砕した単結晶粒子の異なる大きさの分布で3Dの分析を行った。本研究で実行し機械粉砕は、効率的に欠陥が極めて少ない単結晶Ni-Mn-Ga粒子を作製することができたと確立した。
それらの単結晶粒子を利用し、(1)単結晶Ni-Mn-Ga粒子/シリコーンゴムおよび(2)単結晶Ni-Mn-Ga粒子/Cu薄膜の複合材料を創成した。単結晶Ni-Mn-Gaバルク材料とほぼ同程度の形状変形を達成できた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本若手研究は、おおむね当時の予想通りに進展している。Bi元素の微量添加による単結晶Ni-Mn-Ga粒子の作製や、最適化、作製効率等の確立は順調に確認できた。複合材料の作製は、試行錯誤を重ねて成功した。作成の工程を改良するために、予想以上の時間をかかったが、おおむね予定通り進展してきた。
2022年度以前の予備研究の成果および2022年度からの研究進捗を加えて、本研究と関連する論文は4本が採択された。それぞれが、(1) Scripta Materialia 227 (2023) 115277, (2) Journal of Materials Research and Technology 23 (2023) 131-142, (3) Materials Chemistry and Physics 297 (2023) 127390, (4) Journal of Alloys and Compounds 926 (2022) 166862である.
2022年度で、(1)単結晶Ni-Mn-Ga粒子/シリコーンゴムおよび(2)単結晶Ni-Mn-Ga粒子/Cu薄膜の複合材料を創成した経験の元で2023年度も順調に進展していくと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度では、(1) 単結晶Ni-Mn-Ga粒子/シリコーンゴムおよび(2) 単結晶Ni-Mn-Ga粒子/Cu薄膜の複合材料を成功的に創成した。また、それらの複合材料の変形特性や、変形機構等を解析した。
実用するために、(1) 単結晶Ni-Mn-Ga粒子/シリコーンゴムの複合材料のサイクリック安定性や、長期安定性などの評価を行う予定である。また、鉄粒子を添加することによって、有効磁場を増加することも予定している。一方、(2) 単結晶Ni-Mn-Ga粒子/Cu薄膜の複合材料は、これまで、単層のものができたが、アクチュエータ、磁気冷却への応用のために、多層材料や、高い体積分率の単結晶Ni-Mn-Ga粒子で構成される複合材料を創成することを予定している。
本研究グループでは、本研究を実行するための装置が充実しており、順調に単結晶Ni-Mn-Ga粒子の作製およびそれらで構成される複合材料を作製することができると考えられている。また、現在本若手研究の代表者が、その場の観察ができる特殊なin-houseホルダーを作製している。今後、以前より、複合材料の変形機構の更なる解析を取り組んでいく。
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Report
(1 results)
Research Products
(15 results)
