新しい耐久性のある銅

研究者らは、熱処理サイクルを通じて、弾性熱量冷却に必要な高い周期的負荷に耐える耐破壊性合金を開発しました。

東京理科大学

画像: 東京理科大学の研究者らは、相境界を越えて加熱と冷却を繰り返すことで、より耐久性の高い合金を開発しました。これにより、粒径が大きくなり、粒界が少なくなります。もっと見る

クレジット: TUS、日本の藤本健二郎

弾性熱量効果は、材料が機械的応力にさらされたときに温度変化を示す現象です。 温度変化は、応力下での材料の結晶構造変化を伴うマルテンサイト変態に起因するエントロピー差によって発生します。 輪ゴムを伸ばすと同様の効果が観察されます。ポリマー鎖が規則正しく並び、エントロピーが減少します。 これにより、輪ゴムは周囲に熱を放出し、暖かくなります。 輪ゴムを離すとその逆が起こり、輪ゴムは冷えます。

輪ゴムと同様に、金属超弾性形状記憶合金 (SMA) も弾性熱量効果を冷却に利用できます。 Cu、アルミニウム (Al)、および亜鉛 (Zn) で構成される銅 (Cu) ベースの SMA は、低コストであり、温度上昇を引き起こすために必要な応力が適度であるため、特に有望です。 ただし、Cu-Al-Zn SMA は、粗大な結晶粒と多数の粒界が繰り返しの膨張と収縮により破壊されやすいため、周期疲労の問題に悩まされています。

今回、2023年3月31日にJournal of Physics: Energyに掲載された研究では、東京理科大学の藤本健次郎教授、メリーランド大学の竹内一郎教授、および米国メリーランド・エネルギー＆センサー・テクノロジーズの研究者らが開発した。耐久性の高い Cu-Zn-Al SMA は、多数の繰り返し荷重に耐えることができます。 「私たちは、68Cu-16Al-16Zn合金の弾性熱量特性を改善するために、その粒成長を促進する条件を模索してきました」と藤本教授は研究の背景にある動機を説明します。

最近、彼らは、Cu-Al-Mn 合金を混合相と高温相にわたって加熱と冷却を繰り返すと、材料の粒径が増大することを報告しました。 これらの発見に興味をそそられたチームは、同様の相変態が Cu-Zn-Al 合金の特性を向上させることができるかどうかを調査することにしました。

Cu-Al-Zn 合金を調製するために、研究者らはカーボンるつぼの中で Cu、Al、Zn を組み合わせました。 彼らは金属を低圧で溶かして亜鉛の揮発を抑えた。 合金が準備されると、研究者らはそれを冷却し、3 つの異なる圧延率 (それぞれ 0%、67%、83%) で厚さ 7 mm のインゴットに圧延しました。 次に、高温 X 線回折を使用して合金の相境界温度を測定したところ、混合相と高温相の間の相境界が 700°C から 750°C の間に発生することが明らかになりました。 これに基づいて、研究者らは合金を500℃から900℃の間で加熱と冷却を繰り返した。

熱処理サイクルを受けたすべてのインゴットは結晶粒径の増加を示し、最大の増加は 67% の率で圧延された合金で観察されました。 未処理のインゴットの粒径は 2.21 mm でしたが、このグループの熱処理されたインゴットの平均粒径は 11.1 mm に増加しました。

「この結果は、67%の圧延率に加えて周期相境界を越える熱処理が単結晶様の粒成長に効果的であることを示しています。」と藤本教授は言います。 結晶粒が大きく、粒界が少ないため、熱処理された合金は破壊に対する耐性が大幅に向上し、2% の歪みで 60,000 回を超える機械サイクルに耐えることができました。

熱処理プロセスにより、Cu-Zn-Al 合金の弾性熱量特性も大幅に向上しました。 以前に報告された同じ組成の合金と比較して、熱処理された合金はひずみを解放する際に 6.3 J/g の潜熱を示しました。これは、以前に測定された値 2.3 J/g の 2 倍以上です。 これは、熱処理された合金がより効果的に冷却できることを示しています。 さらに、この合金は、低繰返し荷重 (106 MPa) での荷重時と除荷時に、それぞれ +5.9 K と -5.6 K の断熱温度差を示しました。

輪ゴム冷蔵庫はまだ主流になっていませんが、弾性熱量効果は革新的な冷却ソリューションを提供する可能性を秘めています。 したがって、この目的を達成できる材料の開発が重要です。 この点において、熱処理された Cu-Zn-Al 合金は有望な特性を示し、効率的でコスト効率の高い冷却システムへの道を開くことができます。

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参照

DOI: https://doi.org/10.1088/2515-7655/acc5b2

東京理科大学について

東京理科大学 (TUS) は、東京の中心部とその郊外、そして北海道に 4 つのキャンパスを持つ日本最大の科学専門の私立研究大学であり、知名度と評判の高い大学です。 1881 年に設立されたこの大学は、研究者、技術者、教育者に科学への愛を植え付けることを通じて、日本の科学の発展に貢献し続けてきました。

本学は、「自然、人間、社会の調和のとれた発展のための科学技術の創造」を使命として、基礎科学から応用科学まで幅広い研究に取り組んでいます。 TUS は研究に対して学際的なアプローチを採用し、今日最も重要な分野のいくつかで集中的な研究を行っています。 TUS は実力主義であり、最高の科学が認められ、育成されます。 ノーベル賞受賞者を輩出している日本の私立大学であり、自然科学分野でノーベル賞受賞者を輩出しているアジアの私立大学でもあります。

ウェブサイト：https://www.tus.ac.jp/ja/mediarelations/

東京理科大学 藤本健次郎教授について

藤本 健次郎 博士は、東京理科大学理工学部純粋応用化学科の教授です。 彼は博士号を取得しました。 2001年東京理科大学卒業。 彼の研究対象には、無機材料化学、固体化学、組み合わせ技術、およびマテリアルズインフォマティクスが含まれます。 これらの主題に関して、98 件を超える参照論文と 14 件の日本特許、2 件の米国特許を取得しています。 現在は、多成分無機材料のハイスループット探査のためのコンビナトリアル技術の開発と、エネルギー・環境材料およびマテリアルズ・インフォマティクスへの応用に取り組んでいます。

資金調達情報

メリーランド大学での研究は、DE-EE0009159 に基づいて米国エネルギー省の支援を受けました。

物理エネルギージャーナル

10.1088/2515-7655/acc5b2

実験研究

適用できない

周期的熱処理による弾性熱冷却のための 68Cu-16Al-16Zn 合金の異常な粒子成長

2023 年 3 月 31 日

著者らは、競合する利益は存在しないと宣言しています。

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