2020 Fiscal Year Research-status Report
Transient heat transfer and heat storage effect in thermoelastic martensitic transformation
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19K04981
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
加藤 博之 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80224533)
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2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 蓄熱材料 / 潜熱 / 相変態 / 形状記憶合金 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究計画のこれまでの主たる成果は、ニッケルチタン形状記憶合金のマルテンサイト変態における潜熱は等原子組成で最大 38 J/gに達し、既存の全ての形状記憶合金よりも大きく、先進的な酸化物系蓄熱材料（Ti3O5, VO2）と同程度であることを示したことである。今後、研究を展開するために、先ず、このアイディアを学術論文として公開して、それをマニフェストとする必要があった。そこで、昨年度末、ある学術誌へ投稿したところ、実験結果の信頼性に欠けることが理由で掲載不可となった。従来の潜熱測定の文献値よりもかなり大きな熱量を報告したことも原因であった。そこで、ニッケルチタン合金とそれに反応しない高純度インジウムを混合した試料を作製し、インジウムの融解・凝固における潜熱と同時測定することで、ニッケルチタン合金の潜熱量の測定値が適切であることを実験で証明し、学術誌 Journal of Materials Scienceに論文として出版された。
次に、潜熱の非定常熱伝達による組織形成の理論と実験に着手した。理論では，マルテンサイト変態のフェイズフィールド法による熱伝導と内部応力の連成解析を行った。一次元解析は伝熱学におけるStephan問題であり、有限差分法の陽解析による解を得て、相界面の伝播速度を理論的に導出した。実験では、顕微鏡レベルのサイズにおける熱伝導と相変態組織を観察するため、試料の作製、温度測定、および相変態の観察について実験技術を検討した。ニッケルチタン合金試料は，熱処理により結晶粒径を100μm以上に成長させた。温度測定は、直径0.15 mmの熱電対で数点の接触点における温度を計測し、かつ熱カメラにより二次元的な分布を測定している。相変態は、試料表面にコロイダルシリカ粒子を散布し、デジタル画像相関法で変態ひずみを測定して相変態組織の形成過程を画像化する実験を継続した。
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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
今年度までに、ニッケルチタン形状記憶合金の相変態の潜熱量を確定し、蓄熱材料への利用が有望であることを学術誌で公開した。この論文の受理のために、追加の実験は２ヶ月程度を要した。同時に、蓄熱材料としての機能を定量的に評価するために、蓄熱材料を含む蓄熱構造体を設計し、その伝熱解析の有限要素伝熱シミュレーションを行った。固体蓄熱材料では固液材料に比べて反応速度が格段に早いことが期待できるので、その特徴を生かした設計案を提示する必要がある。初年度より３次元FEMによる伝熱解析を行っているが、現在のところ試行錯誤を繰り返している段階である。計画終了年度までに最適設計を提案できるように構造を変えながら計算機シミュレーションを行っている。
理論および実験は初期段階の準備期間にある。フェイズフィールド法によるシミュレーションは一次元解析で結果が得られた。実験では、試料の作製と熱カメラによる伝熱測定を試行している。理論実験の目的は、マルテンサイト変態は原子拡散を必要としないので固液相変態に比較して相変態の進行は極めて早く、音速（応力波）に達するとも言われている。しかしながら熱拡散による平衡状態の変化には熱拡散のためのある程度の有限な時間が必要であるので，現実の相変態速度は音速よりもかなり遅くなると予想している。このように、相変態とそれに伴う熱伝導および応力状態の変化を連成して解析する試みを継続して行っている。
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| Strategy for Future Research Activity |
理論では、マルテンサイト変態組織の形態形成に及ぼす潜熱の非定常熱伝導の影響を検討する為、フェイズフィールド法を現在の一次元から三次元有限要素－陽解法差分解析へ拡張する。そのためのFortranプログラムを作成している。この手法の研究は既に幾つか論文があるが、Stephan問題があきらかになっていない。その点で伝熱学的に意義がある。潜熱蓄熱器の最適設計は、本研究の成果の工学的なデモンストレーションとなるように、初年度からの有限要素法によるモデル計算を継続する。
実験では、現状では伝熱とひずみの静的測定をそれぞれ独立で行っている段階であるので、今後、熱素子カメラによる平面温度分布の動的計測とデジタル相関画像法による動ひずみ測定の同時計測をすることに取り組む必要がある。その成果は、適宜、学会講演により進捗状況を公開する予定である。所属機関では、本年度、実験室への入室や温調用冷媒の調達に若干の制限がある見込みであるが、本実験は１～２名の少人数で実行可能であり、計画どおりに進行する。
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| Causes of Carryover |
物品費あるいは旅費の一部として利用する。
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