金属絶縁転移に伴う熱特性変化を応用した宇宙機多機能熱制御デバイスの創成

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15F15378
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 長野 方星 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10435810)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): PARK DAEIL 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 外国人特別研究員
• Project Period (FY): 2015-11-09 – 2018-03-31
• Keywords: 金属絶縁転移 / 熱制御 / 放射率 / 熱伝導率 / 蓄熱

Outline of Annual Research Achievements

宇宙機用のパッシブな熱制御デバイスとして、必要に応じて材料の放射率が可変となる放射率可変素子が世界的に研究開発されている。本研究の研究目的は放射率可変素子の材料であった金属絶縁体相転移物質の放射率だけではなく比熱や熱伝導率にも着目し、放射率可変機能、熱伝導率可変機能、蓄熱機能の三つの機能を持つ多機能熱制御デバイスを一つの材料で実現することである。提案したデバイスの実現性を検討するため、今年度の実施内容として放射率可変素子の材料として使用され、金属絶縁体相転移性を有するVO2, LSMOの作製及び放射率、熱伝導率、比熱の温度依存性の測定を行った。まずはVO2、 LSMOを合成できるゾルゲル溶液を作製し、LSMO粉末を合成した．各種熱物性を測定するためにもデバイスとして使えるためにもバルクの試料形態を作製する必要があるため、ハンドプレス後高温焼結を行う単純焼結法を行い、バルク作製に成功した。また、DSC法により比熱温度依存性測定を、レーザースポット式ACカロリメトリ法により熱伝導率温度依存性測定を、カロリメータ法により全半球放射率の温度依存性測定をそれぞれ行った。比熱の結果は相転移点でピークが現れ、転移点での蓄熱量を計算した。VO2は相転移温度である68℃で53.9J/(g・K)の大きい蓄熱量を、LSMOは0℃、156℃で小さい蓄熱量を保有していた。LSMO、VO2の熱伝導率の測定結果で転移温度近傍で不連続な変化が現れた。しかし、単純焼結法に作製した結果、試料が均一ではなく表面粗かったため、さらなる精度検証が必要となった。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

材料の自作手法確立など、研究計画に対して前倒しで実施できたため。

Strategy for Future Research Activity

昨年度研究で現れた材料の作製及び熱物性計測を短時間で正確に検討するため、次のような内容を実施する。まず、LSMO及びVO2を単純焼結法でバルクを作製するには長時間を要求し、かつ空隙の発生、表面の粗さなど測定に影響を及ぼす恐れがある試料であった。そこで、今回はSPS装置を用いて短時間で均一である試料を作成するのを試みる予定である。それから、熱拡散率測定装置は温度依存性データを細かく得るため、測定を短時間で可能にする方法を模索する。最後にリード線の熱損失のため、測定結果に異常があった放射率測定装置も保安できる方法を考えている。新しい材料の探索としては二つの方向を考えている。まず、LaとSrをAサイトとしたペロブスカイト物質であったLSMOのSrの代わりに他の遷移金属のPb, Caなどをドープした更なる材料を探索する方向を考えている。これはペロブスカイトマンガン酸化物のドープ物質、ドープ量の違いにおける熱物性の変化を確実に見れることで格子振動に基づく理論的な接近を可能にし、最終的には最適な熱物性温度可変性能を出せるドープパラメータを探索できる見込みがあると考えられる。それから、メゾポーラスシリカがメゾポーラス構造によって熱伝導温度可変性質を持っているという特性着眼して高熱伝導、熱伝導可変性能を持つメゾポーラス物質であるCMK-３に蓄熱、放射率性能を持ったLSMOをドープしてLSMO/CMK-３という新しい構造の新材料を開発することを検討する。最終的に優れた性能を持った材料を応用したデバイスを作り、宇宙模擬環境の試験を行うことを目指している。