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日本开发出高蓄热密度和坚固性俱佳的相变蓄热构件

2019年03月06日 化学材料
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日本国立研究开发法人产业技术综合研究所开发出了兼具高蓄热密度和坚固性的二氧化钒相变蓄热构件。产综研此前就发现可以烧结二氧化钒,但得到的烧结体比较脆弱,无法作为构件使用。此次开发了在烧结过程中让钒与氧发生特殊反应的粉末材料,使之前极难固化成型的二氧化钒烧结变得容易,并通过物质的相变潜热使之具备蓄热功能,实现了细密、牢固且可以加工的二氧化钒块状构件。

日本开发出高蓄热密度和坚固性俱佳的相变蓄热构件

冰和二氧化钒粉末等以往的材料与此次开发的二氧化钒块状构件的比较

此次,研究人员调查了烧结氧化钒粉末时氧与钒发生的反应,根据获得的结果,开发出了一种即使不添加氧化钒类以外的辅助原料,也能明显烧结的粉末调制方法。通过烧结该起始粉末,获得了以兼具高蓄热密度和坚固性的二氧化钒为主要成分的相变蓄热构件。

而且这种材料即使利用实验室里的简易装置,也能轻松获得图1所示的大尺寸(直径50mm×厚5mm)圆盘形块状构件。该构件显示出了维氏硬度为300Hv以上,压缩强度为160MPa以上的机械强度。

日本开发出高蓄热密度和坚固性俱佳的相变蓄热构件

图1:新开发的相变蓄热构件(左为烧结构件,右为切割后)

如图2所示,这个值与以往的材料(未调制的二氧化钒粉末的烧结体)相比显著提高,与面向部件加工用途调制的陶瓷材料(即可加工陶瓷)基本相同。因此,可通过切削等方式轻松加工成任意形状。另外,此次开发的块状二氧化钒构件的蓄热密度约为二氧化钒粉末的潜热产生的蓄热密度(约为250J/cm3)的95%,基本维持了二氧化钒粉末的特性。

在此前的研究中已经知道,通过在二氧化钒粉末(相变温度约为70℃)中添加第3种元素,能将决定蓄热工作温度范围的相变温度由5℃以下调整至近100℃,此次开发的技术对添加了第3种元素的二氧化钒粉末也有效,可以制作控制蓄热工作温度的构件。

以前,0℃左右的代表性蓄热材料为冰(蓄热密度为333J/cm3),另外,石蜡类油脂材料(蓄热密度约150~200 J/cm3)针对40℃~70℃范围内的蓄热用途推进了用途开发。这些材料虽然蓄热密度大,但都会在相变时融化,所以为了保持形状或避免融化相流出,需要使用容器等。但容器等会成为热量在对象物体与蓄热构件之间传递时的热阻,导致蓄热密度减少及蓄热所需的时间延长。此次开发的蓄热材料拥有与冰和石蜡相当的蓄热密度,而且工作温度也能覆盖这些以往材料的工作温度范围。不仅如此,还可以加工成具备蓄热能力的构件,因此可以考虑加工成换热器的翅片形状,与对象物体直接进行热交换,或者直接构成电子产品的部分机壳。

日本开发出高蓄热密度和坚固性俱佳的相变蓄热构件

图2:此次开发的通过烧结形成的二氧化钒相变蓄热构件(开发材料)及采用以往的钒氧化物粉末的构件(以往的材料)的压缩强度比较

文 JST客观日本编辑部

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