客观日本

日本成功开发出车用蓄热陶瓷材料

2019年09月27日 汽车与运输

研究概要

东京大学研究生院理学系研究科化学专业的大越慎一教授等人组成的联合研究小组发现了能长时间蓄热、而且施加较弱的压力即可提取储藏的热能的高性能蓄热陶瓷。新开发的蓄热陶瓷的晶体结构为λ型五氧化三钛,且颗粒为块状,因此被命名为块状λ五氧化三钛(Block-type λ-Ti3O5)。这种块状λ五氧化三钛的蓄热量与固液相变物质不相上下,高达237kJ L-1(约为水的熔化热的70%,乙二醇的熔化热的140%)。

新开发的蓄热陶瓷的最大特点是,通过施加较弱压力诱导其相变为β五氧化三钛,即可释放储藏的热能。压力诱导的相变从几兆帕(MPa)开始发生,到7MPa(70个大气压)时,λ结构的比例减至一半。70个大气压的压力约为市场上销售的7m3高压气瓶的一半,在固体的压力诱导相变中属于最小压力。利用一种材料即可实现长期蓄能和低压释放热能的原因是,该材料具备两个稳定相(λ型结构和β型结构),而且两个相之间存在适当的低能障。

能长期储藏能量的蓄热材料有望作为吸收废热并将其作为热能再利用的零部件使用。尤其是在汽车上,为了有效利用驾驶过程中释放的热能,从而提高燃效,在发动机和消声器等部件周围安装这种蓄热材料的方式备受期待,不过从可以安装的压力机构的观点来看,最好能以10MPa以下的压力放热。本次研究开发的蓄热陶瓷有望作为有效的汽车用蓄热材料使用。另外,该材料同时具备长期潜热蓄热和显热蓄热的特性,因此还有望应用于光伏发电站的蓄热系统。

研究内容

乘用车、卡车及巴士等汽车是通过发动机燃烧燃料获得热能,然后利用热能获得动力。启动发动机后,首先利用热能将内部系统加热到适当的温度,形成可以驾驶的状态。另一方面,驾驶过程中会产生过剩的热能,因此要排放到大气中。如果能将驾驶过程中产生的热能储藏起来,在重新启动发动机时使用,就有望提高燃效。可以储藏热能的材料一般称为蓄热材料,主要分为显热蓄热材料和固液潜热蓄热材料。显热蓄热材料包括砖和混凝土,固液潜热蓄热材料包括水、石蜡和聚乙二醇。不过,无论哪种材料,时间久了,储藏的热能都会逐渐被释放出来。

此次,研究小组着眼于λ五氧化三钛。λ五氧化三钛是大越教授发现的新型氧化钛材料,可以储藏热能,施加压力即可提取储藏的热能。以往的物质未发现这种蓄热和放热性能。研究小组确认,λ五氧化三钛是一种新型蓄热材料,具有潜在需求。另一方面,提取储藏的热能所需的压力低于10MPa(100bar),用途被认为非常广泛。

本次研究主要致力于低压响应性蓄热陶瓷的开发。研究小组通过在氢气中高温烧制(1300℃下烧制2小时)金红石型二氧化钛进行了合成。由于得到的样品单侧为亚微米级块状晶体,因此将该材料称为块状λ五氧化三钛(块状λ-Ti3O5,图1)。

日本成功开发出车用蓄热陶瓷材料

图1:块状λ五氧化三钛(block-type λ-Ti3O5)的晶体结构和形状。(a)块状λ五氧化三钛从b轴方向(左)和c轴方向(右)观察时的晶体结构。(b)透射电子显微镜图像(左)和格纹放大图(右)。插图是傅立叶变换图像和相应格子的原子位置。

研究发现,块状λ五氧化三钛能在低压下向β五氧化三钛进行压力诱导相变。从λ结构向β结构相变从几十个大气压开始,达到70个大气压(7MPa)时,λ结构的比例减至一半(图2a)。70个大气压的压力约为市场上销售的7m3高压气瓶的一半,在固体的压力诱导相变中属于最低压力。研究小组利用热成像装置,测量了压力诱导相变过程中的样品温度变化,发现在用链球击打样品的瞬间(不到67毫秒),温度由26.8°C升高至85.5°C(图2b、3)。

日本成功开发出车用蓄热陶瓷材料

图2:块状λ五氧化三钛的压力变化与压力诱导的放热。(a)λ相(●)及β相(○)的相分率的压力依赖性。(b)利用热成像装置获得的施加压力时样品温度的时间依赖性。压力在时间t=0时施加。

日本成功开发出车用蓄热陶瓷材料

图3:向块状λ五氧化三钛施加压力后的热成像图的时间变化。压力在时间t=0时施加。样品温度最高达到85.5℃。

之后,温度呈指数函数式降低,衰减时间为1.7秒。研究小组通过这个实验推算,通过施加压力释放了235±7kJ L-1的热能。另外,还利用差示扫描量热仪测量了蓄热温度和蓄热能量,发现加热到471K(198°C)时,结构由β结构向λ结构转变,并存储了237kJ L-1的热量。即使冷却到室温水平后也未观察到放热,表明储藏了热能。此次观测的块状λ五氧化三钛之所以具备长期蓄热特性和低压放热特性,是因为这种物质具有双稳定性(λ结构和β结构),而且两个相之间存在能障。热力学计算表明,由于能障会在低压力下消失,因此λ结构变成β结构,释放了储藏的潜热能(图4)。

日本成功开发出车用蓄热陶瓷材料

图4:基于统计热力学计算的压力诱导相变机制。(a)压力为0.1MPa(上)及30MPa(下)时的λ相分率(x)的温度依赖性。围绕降温过程和升温过程进行了计算,在ΔH=13.7kJ moL-1、ΔS=34.6J K-1 moL-1、γb=-2.4J K-1 moL-1、and γc=-0.12kJ MPa-1 moL-1的条件下实施。γa值假定具有以12.88kJ moL-1为中心的正态分布。(b)300K时的x压力依赖性曲线。

此次,研究小组报告了名为块状λ五氧化三钛的新型蓄热陶瓷。这种材料能长时间保存热能,施加低压即可释放热能。块状λ五氧化三钛可以储藏高达237kJ L-1的潜热能。这种蓄热能与水(320kJ L-1)、石蜡(140kJ L-1)及聚乙二醇(165kJ L-1)等固液相变材料的潜热能约为相同水平。储藏在块状λ五氧化三钛中的热能只需施加几MPa~7MPa的低压力即可提取出来。蓄热陶瓷可以在重新启动汽车时为冷却的内部系统加热,因此有望用于发动机和消声器附近的汽车部件(图5a)。除此之外,还有望作为光伏发电站的蓄热材料使用(图5b)。该材料同时具备长期潜热蓄热特性和显热蓄热特性,因此有望用于光伏发电站的蓄热系统。

日本成功开发出车用蓄热陶瓷材料

图5:块状λ五氧化三钛的应用示例。(a)块状λ五氧化三钛应用于汽车时。蓄热材料的使用位置:燃烧室、曲轴、消声器。(b)块状λ五氧化三钛应用于光伏发电站时。(i)白天利用太阳能发电,在采用蓄热陶瓷的蓄热罐中储藏热量(β相→λ相)。(ii)夜间向蓄热罐中的蓄热陶瓷施加压力,提取白天储藏的热量(λ相→β相)。

论文发表杂志
杂志名称:《科学报告》
论文题目:Low-pressure-responsive heat-storage ceramics for automobiles
作者:Shin-ichi Ohkoshi*, Hiroko Tokoro, Kosuke Nakagawa, Marie Yoshikiyo, Fangda Jia, and Asuka Namai
DOI编号:10.1038/s41598-019-49690-0
论文URL:https://doi.org/10.1038/s41598-019-49690-0

日文新闻发布全文

文:JST客观日本编辑部翻译整理

专题网页