ナノ構造デザインによる炭素系複合材料の熱輸送制御

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 26289048
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 河野 正道 九州大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50311634)
• 研究分担者: 塩見 淳一郎 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40451786)
• 研究期間 (年度): 2014-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 相変化材料 / 熱伝導率 / グラフェン / ナノカーボン

研究実績の概要

本年度は，材料のナノ構造と熱輸送機構の相関を理解し，所望の熱伝導率を持つ材料を設計・創製することを目的として，化学修飾されたグラフェンを有機系PCMに添加することによりPCMナノコンポジットを創製し，その熱伝導率の計測を行った．またグラフェンの添加が他の物性に及ぼす影響を検討するため，相変化エンタルピーの計測も併せて行った．
本研究で用いたPCMはラウリン酸（C12H24O2）で，融点は43℃付近，相変化エンタルピーはおおよそ150 kJ/kgである．添加材にはXG Science社のグラフェン・ナノプレートレット（複数のグラフェンシートが積み重なった構造．平均層厚5-10nm，エリアサイズ約15μm，密度2.2g/cm3）を用いた．試料の熱伝導率計測は非定常細線法にて行い，細線は直径25.4μm，長さ50mmで絶縁被膜を施した．
計測された純粋なラウリン酸の熱伝導率（20℃，固相）は0.22/(mK)であるが，MLGの添加量が増加するに従い熱伝導率が高くなる傾向が見られた．今回はMLGを最大1vol%まで添加したが，その際の熱伝導率（20℃，固相）は0.49/(mK)であり，純粋な母材と比較して熱伝導率が約2.3倍高くなった．また数値計算の結果から熱伝導率を向上させるには，添加物と母材の界面熱抵抗を低減させることが重要であることも分かった．
MLGの添加が他の物性に及ぼす影響を検討するため，PCMの相変化エンタルピーを計測した．今回の実験条件の範囲内ではMLGの添加が相変化エンタルピーに大きな影響を及ぼしていないことが確認された．
グラフェン以外にもカーボンナノホーン等を添加剤として用いた実験も行い，材料のナノ構造と熱輸送機構の相関を検討した．得られた成果は国際的な査読制雑誌に掲載されたほか，国内外での学会にても発表を行った．

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本年度はグラファイトを添加した相変化材料およびカーボンナノホーンを添加した相変化材料に関して，材料のナノ構造と熱熱伝導率の相関に関する知見を得ることができ，下記の国際的な査読制雑誌に論文発表することができた．
S.Harish, D. Orejon, Y. Takata, M. Kohno, Thermal Conductivity Enhancement of Lauric Acid Phase Change nanocomposite with graphene nanoplatelets, Applied Thermal Engineering, Volume 80, 2015, pp 205-211.
S.Harish, D. Orejon, Y. Takata, M. Kohno, Thermal Conductivity Enhancement of Lauric Acid Phase Change nanocomposite in Solid and Liquid State with Single-Walled Carbon Nanohorn inclusions, Thermochimica Acta, Volume 600, 2015, pp 1-6.
これに加えて国内外の学会でも積極的に成果発表を行った．また各種ナノカーボンを配合したハイブリッドナノカーボンを添加する実験も順調に進展している．

今後の研究の推進方策

前年度に引き続き，材料のナノ構造と熱輸送機構の因果関係を検討するが，申請者らのこれまでの研究で液相→固相の相変化速度が「固相中におけるナノカーボン材料の配向」や「母材自体の結晶構造」に大きな影響を及ぼす結果が得られている．このため，「ナノカーボンの構造や添加量」「相変化の速度」を主な制御因子として「材料内におけるナノカーボンの配向」・「母材の結晶構造」の制御を試みる．
シミュレーションではPCMのナノカーボン近傍における母材の分子構造を同定する．母材が流体の場合であっても界面近傍で秩序構造が形成されることが知られている．ナノカーボンの曲率方向の代表長さは母材分子代表長さと同程度であるため，ナノカーボンと母材（または中間層）の「親和性」は，原子間相互作用だけでなく，界面の原子構造や力学的特性（弾性定数など）などに強く影響される．具体的には，平衡分子動力学法を用いて，応用で想定される熱力学的状態における構造緩和計算を行う．界面層構造や固体相の構造緩和には長時間のサンプリングが必要になるため，はじめに粗視化分子動力学法やモンテカルロ法を用いて構造を緩和し，それに原子をマッピングすることで計算を高速化する申請者らの手法を用いる．このような系統的な解析を通じて，母材や中間層の種類に加えて，ナノカーボン側の構造欠陥やダングリングボンドなどの実際の試料に存在することが想定される構造の影響も検証し，界面構造との因果関係およびその形成機構を明らかにする．

次年度使用額が生じた理由

当初予定していた参加学会数より実際に参加した学会数が少なかったことや，研究協力者との打ち合わせのための海外出張にて学内資金を利用できたことから，支出が削減となった．またデータ処理等のために謝金を計上していたが，研究代表者・分担者・協力者で行ったことから支出が無かった．装置借用料も当初計上していたが，代表者が所属する研究室が所有する装置で研究が推進できたので，支出が削減となった．

次年度使用額の使用計画

熱伝導率計測に使用する装置の改良を行うための物品費として主に使用する計画である．装置を改良することで計測される値の精度向上が期待される．また国際会議に積極的に出席し，成果の情報発信に努める計画である．

研究成果

• [雑誌論文] Thermal Conductivity Enhancement of Lauric Acid Phase Change nanocomposite with graphene nanoplatelets (2015)
  • 著者名/発表者名: S.Harish, D. Orejon, Y. Takata, M. Kohno
  • 雑誌名: Applied Thermal Engineering 巻: 80 ページ: 205-211
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thermal Conductivity Enhancement of Lauric Acid Phase Change nanocomposite in Solid and Liquid State with Single-Walled Carbon Nanohorn inclusions (2015)
  • 著者名/発表者名: S.Harish, D. Orejon, Y. Takata, M. Kohno
  • 雑誌名: Thermochimica Acta 巻: 600 ページ: 1-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Thermal Conductivity Reduction of Crystalline Silicon by High Pressure Torsion (2014)
  • 著者名/発表者名: S.Harish, M.Tabara, Y.Ikoma, Z.Horita, Y. Takata, D.G.Cahill and M.Kohno
  • 雑誌名: Nanoscale Research Letters 巻: 9 ページ: 326
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [学会発表] Thermal conductivity enhancement of phase change nanocomposite in solid and liquid state with single-walled carbon nanohorn inclusions (2015)
  • 著者名/発表者名: S.Harish, D. Orejon, Y.Takata, M.Kohno
  • 学会等名: International Conference on Polygeneration
  • 発表場所: Chennai, India
  • 年月日: 2015-02-18 – 2015-02-19
• [学会発表] Enhanced Thermal Conductivity of Nanostructured Phase Change Composite for Thermal Energy Storage (2014)
  • 著者名/発表者名: S.Harish, Y.Takata, M.Kohno
  • 学会等名: ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition
  • 発表場所: Montreal, Canada
  • 年月日: 2014-11-14 – 2014-11-20
• [学会発表] グラフェン添加による脂肪酸相変化材料の熱伝導率の向上 (2014)
  • 著者名/発表者名: 河野正道，Sivasankaran Harish，Daniel Orejon，高田保之
  • 学会等名: 日本機械学会熱工学コンファレンス2014
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 2014-11-08 – 2014-11-09
• [学会発表] Nano engineering heat conduction in semiconductor & organic phase change materials (2014)
  • 著者名/発表者名: Masamichi KOHNO
  • 学会等名: A3 seminar
  • 発表場所: Shanghai，China
  • 年月日: 2014-05-04 – 2014-05-04