マイクロ空間内における合金の特異な相転移現象の解明と潜熱蓄熱材料の開発

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本研究では合金系マイクロプセル化潜熱蓄熱材料の過冷却制御を見据え、マイクロカプセル内のAl-Si合金の相転移機構を調査した。初めにカプセルの組成及び粒径が過冷却度に与える影響を調査した。具体的にはAl-5mass％Si（亜共晶）、Al-12mass％Si（共晶）、Al-25mass％Si（過共晶）の3種の原料粉末を用意し、原料粉を20 μｍから106 μｍまでの間で4段階に分級し、組成・粒径が異なるマイクロカプセルを調整した。亜共晶組成の製品は共晶反応に対して過冷却を示さなかった。一方、共晶、過共晶組成の製品は20度以上の過冷却を示した。先行研究では、初晶Alが共晶反応時のAl析出の核生成サイトとなることが示されている。マイクロカプセル内部でも同様に初晶Alが共晶Alの核生成サイトとなり、亜共晶組成の製品の過冷却を抑制したと考えられる。一方、過共晶組成の製品では過冷却の緩和は認められないため、初晶Siには核生成を促す効果は期待できない。また、粒径の増大に伴って過冷却度がわずかに低下したが、過冷却の完全な解消には至らなかった。さらにAl-Si合金にTiを添加したマイクロカプセルの作製を試みた。Al-Si合金原料粉に酸化Tiを物理的に固着させたのち、マイクロカプセル化処理を施すことでカプセル内部へのTiの導入に成功した。導入したTiは融点がAl-Si共晶温度よりも高い、Siとの化合物を生成した。製品の放熱ピークは、Tiを添加していない製品に比べ高温側に大きくブロード化した。これは、製品であるカプセル粒子の放熱開始温度の分布が広がったことを示している。以上の結果から、共晶反応前の析出物が過冷却に大きく影響することが明らかとなった。とりわけ、マイクロスケールであっても初晶Alが共晶反応を促す効果は大きい。本研究の成果は潜熱蓄熱マイクロカプセル設計時の大きな指針となりうる。