2018 Fiscal Year Research-status Report
固相変態制御によって様々な温度で潜熱蓄熱可能な耐高温酸化性Fe基蓄熱体
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18K14166
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
丸岡 大佑 東北大学, 環境科学研究科, 助教 (20753792)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 蓄熱体 / 相変化材料 / 固相変態 / 鉄鋼材料 / バイオマス / 高温酸化 / 熱回収 / 排熱利用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、Fe合金の相変態による潜熱と顕熱蓄熱を併用した固体蓄熱材料の開発を目的としている。本年度はFe-Mn-C合金に着目した。Fe-Mn-C合金中のMnの添加量を変化させることで共析変態温度が低下するため、C濃度を共析組成にすることにより所望の作動温度で蓄放熱が可能となる。Fe-Mn-C系状態図は明らかにされているが、固相変態は過冷却で発現することが多いため、Fe-Mn-C合金の蓄熱放熱挙動に対する昇温速度およびMn添加量の影響について調査した。
Mn添加量を変えた合金試料を作製し、示差走査熱量測定析により、昇降温時の相変態温度および潜熱量を評価した。結果として、Mn添加量を大きくした場合の共析組成の試料では、昇降温時の相変態温度が低下した。相変態に伴う潜熱量は、Mn添加量が大きくなるにつれて若干減少した。降温時は材料の過冷却が起きて相変態温度が低くなり、Mn添加量が大きくなるにつれて相変態温度が低下した。これは放熱温度が低下することを意味するため、想定した温度範囲で放熱させるためには、本研究で明らかにした過冷却挙動を想定した材料設計などが重要になると思われる。一方、Mn添加量がより大きくなると、本研究で設定している昇降温速度では相変態が認められなくなった。X線回折によって試料はα相から大きく変化していないことが示唆され、高Mn添加量では相変態に伴う各原子の拡散に必要な時間が、実験条件で設定した昇降温時間より大きくなり、本研究の範囲では安定化したためだと考えられる。
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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
当初の研究計画通り、Fe-Mn-C合金の潜熱蓄熱挙動について調査し、Mn添加量を変えることで潜熱蓄熱温度を変化できることを示した。一方、Mn添加量がより大きくなると、本研究で設定している昇降温速度では相変態が認められなくなったため、2019年度は蓄熱体として機能しうるMn添加量を見極めるための検討も重要であると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度は、現在行っているFe-Mn-C合金の潜熱蓄熱挙動を調査するとともに、合金の耐酸化性を向上させるため、試料表面にAl濃化層生成させるアルミナイジングを実施してその高温酸化挙動について調査する予定である。すでに、アルミナイジング処理を施した試料に対して高温大気中で酸化実験を行い、高温酸化による重量増加を大幅に抑制できることを見出している。しかし生成したアルミナ層が厚く、機械的な衝撃や負荷によって破断することが懸念される。さらに試料中に残留したAlが試料内部に拡散し、合金をα相に安定化させ、潜熱量を低下させうる。そのため、今後はアルミナイジングに影響を与える温度や時間、種Alの添加量といったパラメータを変化させ、生成するアルミナ層の薄層化および残留Al量の低減を目指す。またアルミナイジング中にはFeとAlの金属間化合物の生成が予想されるので、その生成機構について調査し、蓄熱体として最適なアルミナイジング条件を見出す予定である。
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| Causes of Carryover |
試料加工に係る装置を既設設備で対応することが出来たため、出費を抑えることが出来た。その分、試料観察に重要な補助設備を導入した。
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