ナノサイズ領域の独立閉気孔構造によるフォノン熱伝導の特異的低減

通过纳米级区域的独立闭孔结构特异性降低声子热传导

• 批准号: 20656105
• 负责人: 大瀧 倫卓
• 金额: $ 2.24万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
• 财政年份: 2008
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2008 至 2009
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-20656105/
• 关键词: 熱伝導率; 多孔体; フォノン散乱; 熱電変換; 酸化物熱電材料; 酸化亜鉛; ナノコンポジット構造

断熱材として広く用いられている多孔質材料の有効熱伝導率については、多くの推算式が提案されているが、気孔率の小さい範囲(<30%)では、いずれの場合も有効熱伝導率は気孔率に比例してほぼ直線的に減少する。しかし我々は、100nmオーダーの微細閉気孔を導入したナノ多孔質ZnOでは気孔率が10%程度でも有効熱伝導率は最大30%程度低下することを見出した。しかし、ナノ細孔の導入には、空孔形成材料としてポリメタクリル酸メチル(PMMA)粒子を添加して焼結しているため、PMMA粒子の凝集などにより粗大気孔も生成し、再現性も悪い。そこで本年度は、1)PMMA粒子の分散性向上を目的として、各種の界面活性剤を添加して分散剤としての効果を検討すると共に、2)ほぼ単分散のナノ細孔から成るメソポーラスシリカMCM-41の細孔構造を保持したまま焼結することにより、均一なナノ細孔を有するバルク体を合成して、熱伝導率との関係を実験的に検討した。1) 空孔形成材料として用いる粒径150nmのPMMA粒子を水に分散させ、前年度に用いた非イオン性界面活性剤のTriton X-100以外に、カチオン性界面活性剤セチルトリメチルアンモニウムブロミド(CTAB)、アニオン性界面活性剤ドデシル硫酸ナトリウム(SDS)を種々の濃度で添加し、所定時間攪拌、静置した後に、動的光散乱法で粒径分布を測定した。最も単分散に近い粒径分布を示したのはTriton X-100添加試料であり、非イオン性界面活性剤の優位性が確認された。2) MCM-41の焼結体は、焼結温度800℃以上では細孔構造が消失したが、焼結温度700℃では、MCM-41自体とは異なるものの、20nm程度の周期的細孔構造が認められた。焼結体の熱伝導率は、気孔率が10~30%程度でも緻密体の40~60%程度まで大きく減少しており、粗大気孔を持たないナノ多孔体が特異な熱伝導率低減効果を発現することが立証された。

The calculation formula for the effective thermal conductivity of porous materials is proposed in this paper, and the range of porosity (<30%) is calculated in the case where the effective thermal conductivity and porosity decrease linearly. The introduction of fine closed pores at 100nm and the porosity of porous ZnO are about 10%, and the thermal conductivity is about 30% lower. The introduction of fine pores and the formation of voids in the PMMA particles are characterized by the addition of fine pores and the aggregation of PMMA particles. This year, the aim is to improve the dispersibility of PMMA particles, to add various kinds of interfacial active agents, to study the effect of dispersion, and to study the relationship between the thermal conductivity and the pore structure of MCM-41. 1)PMMA particles with a particle size of 150nm were dispersed in water. In the previous year, non-ionic surfactants other than Triton X-100 were used. Non-ionic surfactants such as CTAB and SDS were added at different concentrations. The mixture was stirred for a predetermined time. Measurement of particle size distribution by dynamic light scattering method The particle size distribution of the most dispersed particles was shown by adding Triton X-100 to the sample, and the superiority of the non-aqueous surfactant was confirmed. 2)MCM-41 sintered body, sintering temperature above 800℃, the pore structure disappeared, sintering temperature 700℃, MCM-41 itself, the pore structure of the order of 20nm was recognized. The thermal conductivity and porosity of the sintered body are about 10 to 30%, the dense body is about 40 to 60%, and the thermal conductivity of the porous body is reduced greatly.

项目成果

ペロブスカイト型酸化物熱電材料における熱伝導率の低減と置換サイト依存性

降低钙钛矿型氧化物热电材料的热导率和取代位点依赖性

• 发表时间: 2009
• 作者: 菅原徹;大瀧倫卓
• 通讯作者: 大瀧倫卓

ポリマー微粒子によるZnO系酸化物のナノ多孔質化と熱電変換特性

利用聚合物颗粒和热电转换特性形成 ZnO 基氧化物的纳米孔

• 发表时间: 2009
• 作者: 山本五郎;大瀧倫卓
• 通讯作者: 大瀧倫卓

Thermoelectric properties and bulk nanocomposite structure of co-doped ZnO

共掺杂ZnO的热电性能和块状纳米复合材料结构

• 发表时间: 2010
• 作者: A.Yoshikawa;H.Ogino;T.Yanagida;Y.Yokota;S.Maeo;M.Nikl;大瀧倫卓
• 通讯作者: 大瀧倫卓

Selective Suppression of Lattice Thermal Conductivity in Oxide Thermoelectric Materials for Higher ZT

选择性抑制氧化物热电材料中的晶格热导率以获得更高的 ZT

• 发表时间: 2010
• 作者: M.Ohtaki;S.Teraoka;K.Yamamoto;T.Sugahara
• 通讯作者: T.Sugahara

Aサイト置換したダブルペロブスカイト型酸化物Sr_<2-x>_Ba_x_FeMoO_6の結晶構造と高温熱電特性

A位取代双钙钛矿氧化物Sr_<2-x>_Ba_x_FeMoO_6的晶体结构及高温热电性能

• 发表时间: 2009
• 作者: 菅原徹;大瀧倫卓
• 通讯作者: 大瀧倫卓