新しい研究が優れた熱管理のための効果的な材料構築方法を示す

私たちはしばしば材料をその特性に基づいて認識します。しかし、材料科学と工学の進歩により、互いに対照的であることが多い異常な特性を組み合わせた材料を製造することが可能になりました。 

最近の例では、研究者チームが、熱にさらされる用途でも高い剛性と断熱性を両立できるように設計した材料の可能性を実証しました。 

ノースカロライナ州立大学で機械・航空宇宙工学の准教授を務め、この研究論文の共同責任著者でもあるJun Liu氏は、発見と材料の特徴について次のように述べています。

「私たちは、高い剛性を持ちながら優れた断熱性も備える一群の材料を見いだしました。さらに、必要に応じて材料を設計し、剛性と熱伝導率を調整することもできます。」

一般に、弾性率が高い、つまり剛性の高い材料は、熱伝導率も高くなる傾向があります。ここでいう断熱性は、電気を通しにくいという意味の絶縁性とは異なります。

では、剛性を保ちながら優れた断熱材として機能する材料が必要な場合はどうでしょうか。こうした材料は、電子機器を高温から守る断熱コーティングなどに役立つ可能性があります。

材料をさらに掘り下げ、研究について詳しく調べると、研究者が取り組んだ材料は二次元ハイブリッド有機-無機ペロブスカイト（2D HOIP）のサブセットであることが分かります。これらの材料は、’高度に秩序化された結晶構造で有機層と無機層が交互に配置された’薄膜で構成されています。その価値は、無機層または有機層の組成を調整できる点にあります。 

研究では、有機層に含まれる炭素鎖をベンゼン環に置き換えました。この構造変更によって、弾性率と熱伝導率を調整できることが示されました。

研究チームは、少なくとも3種類の2D HOIP材料を作製し、剛性が高まる一方で熱伝導率が低下する組み合わせを実現しました。

研究ではさらに、有機層の組成を大きく変えずにキラリティを導入しても、同程度の剛性と熱伝導率を維持できることが示されました。これは、剛性や熱伝導率への影響を抑えながら、材料の別の特性を調整できる可能性を示しています。

これらの材料の実際の応用可能性を評価する際、多くの企業がこの研究から利益を得ることができます。これらの企業は研究を推進し、より大規模に試験し、その利点を既存の製品ラインに統合するか、全く新しい製品ラインを創出するためのR&Dリソースを持っています。以下のセクションでは、そのような企業のいくつかを取り上げ、このイノベーションを採用する方法を検討します。 

#1. Owens Corning

Owens CorningのFOAMULAR製品群は、高性能な押出法ポリスチレンフォーム断熱材です。独立した気泡からなる構造により、滑らかな表面、剛性、低い熱伝導率を備えています。

この押出法ポリスチレンフォームは、耐久性に優れ、さまざまな用途に対応する断熱材です。建築設計や施工などの幅広い場面で使用できます。断熱性に加えて耐湿性も備えています。

Owens Corningは、独自の製造工程を採用しています (OC ) 。Hydrovacと呼ばれるこの工程で断熱材を製造します。均一な独立気泡構造により湿気の侵入を抑え、厚さ1インチ当たりR値5を実現します。建築の断熱におけるR値は、熱の伝わりにくさを示す指標です。R値が高いほど断熱性能が高いことを意味します。

この製品の圧縮強度は15～100 psiで、ASTM C578に適合して製造されています。湿った土壌や荷重に対応する必要がある緑化屋根などの保護防水層構法（PRMA）に適しています。軽量で扱いやすく、一般的な外装材や仕上げ材とも組み合わせられます。従来のEPS断熱材に比べ最大13倍の耐水性を備え、20年後もR値の少なくとも90%を維持するとされています。

前半で紹介した2次元有機・無機ハイブリッドペロブスカイト（2D HOIP）の研究は、Owens Corningが断熱分野の技術をさらに発展させるための新たな手がかりになる可能性があります。

1938年に設立され、オハイオ州トレドに本拠を置くOwens Corningは2023年に売上高97億ドルを記録しました。

#2. Gore

2D HOIPの研究は、電子機器を熱から守る断熱材への応用可能性を示しています。モバイル機器向けの断熱技術を扱うGoreも、この材料研究から新たな知見を得られる可能性があります。

Gore Thermal Insulationは高度な熱管理ソリューションです。空気より低い熱伝導率を持ち、設計の自由度を高めます。設計者は厚さ方向、つまりz軸方向に伝わる熱をより細かく制御できます。これにより、小型化する機器で部品の高性能動作を支えながら、熱を適切に拡散させ、表面温度の要件を満たす設計を目指せます。

Goreのソリューションは、断熱性に加え、機器へ組み込みやすい点にも特徴があります。また、設計初期から製品化まで、技術者チームが設計指針やモデリングの活用を支援します。

Goreは1959年にBill Gore氏とVieve Gore氏が設立し、米国デラウェア州ニューアークに本社を置いています。記事で紹介されている年間売上高は48億米ドルです。

材料の性質と熱伝導率の関係に関するさらなる研究

断熱は幅広い応用可能性を持っています。最終的に、私たちの日常生活のほとんどの空間や材料は熱からの保護が必要です。すべての材料がすべての用途シナリオに適合するわけではないのは自然なことです。 

断熱性能に関する研究では、セルロース系断熱材の室内空気質への影響と、熱伝導率に関わるさまざまな要因を調べました。対象には原料の種類、製造工程、密度、含水率、試験環境の温度が含まれます。

研究は、優れた独自の断熱特性を持つ材料の開発に必要な相関関係も指摘しました。例えば、湿気が熱性能に悪影響を与えることが示されました。逆に、材料の圧縮によって密度が増加すると、特に均一に分布した空隙を持つ材料において熱伝導率が低下する傾向が見られました。

研究では、成形前の密度条件で優れた断熱性能を示した材料組成も挙げられています。ある材料は、酢酸セルロース、廃たばこフィルター、廃巻紙、廃アルミニウム紙からなり、別の材料は古紙だけで構成されていました。

水分の収着量については、顕著な増加が木質繊維から作った断熱材と、廃板紙由来のセルロースを用いた、加工が粗く不均一な材料で見られました。

この研究は、農業・産業廃棄物を再利用した断熱材を分析した点で有用です。こうした原料は建材に利用されていますが、断熱材としての開発にはなお検討の余地があります。

現在の議論のきっかけとなった研究は、電子機器を熱から保護することを目的としていました。この分野で実施された研究例もあります。例えば、中国・西安の西安交通大学の研究チームは、深部坑井の探査で使用される電子機器のための能動的熱保護に関する実験的研究を行いました。次のセクションでは、その研究と結果を詳しく掘り下げます。

道路、帯水層、家計に役立つ可能性がある自己加熱コンクリートについては、こちらをご覧ください。

深部坑井の探査に使う電子機器の能動的熱保護

深部坑井の探査は、地下の深い場所で行う調査です。シェール油の採掘・回収などに使う電子機器は、高温と高圧が同時に存在する厳しい環境に置かれます。熱の影響は電子部品の安全な動作を脅かしかねません。研究チームは、能動的な熱保護システムを研究しました。このシステムは、らせん状の流路を持つ環状冷却板（ACP）、相変化材料（PCM）を収めた蓄熱容器、エアロゲルマット（AM）から構成されます。

チームは、ACPの構造と配置、作動流体の流量が熱保護性能に及ぼす影響を実験で調べました。性能は、温度制御能力とシステムの動作時間という2つの指標で評価しました。

研究は、エアロゲルマット層が必要であり、ACPを内部に配置した構成がより優れた熱保護性能を示すことを発見しました。また、深部坑井環境で使用するハイブリッド熱保護のために、らせん状流路を備えた環状冷却板（ACP）を提案しました。

2022年に実施され、Nature系列の学術誌に掲載された別の研究では、ウェアラブルエレクトロニクス向けの柔軟で伸縮性のある熱保護基板を調査しました。 

ウェアラブルエレクトロニクス向け柔軟・伸縮性熱保護基板

現在、多くの医療用途はウェアラブルエレクトロニクスの効果的な利用に基づいています。その意味で、これらの製品は慎重な取り扱いが必要です。しかし、使用中にデバイスが過熱し、熱的不快感や皮膚への損傷を引き起こす可能性があります。研究チームは、先進的な熱保護を提供できる材料と構造を探求しました。 

研究チームが報告した柔軟で伸縮性のある熱保護基板は、複合材料として設計されています。広く使われる高分子のポリジメチルシロキサンに、樹脂製の殻で包んだ相変化材料入りの吸熱性微小球を埋め込んだ構造です。

結果は有望で、基板は150%を超える大きな変形にも耐えました。また、最適化した条件では皮膚表面の温度上昇を82%以上抑えられました。

熱ストレス下のGoogle Pixel 3XLにおける定常状態システム性能を向上させる材料

断熱材の適切な組み合わせを示す別の例として、熱を広げる能力の高いグラファイト箔と、熱伝導率が非常に低い断熱シートを使った研究があります。改造したGoogle Pixel 3XLにこれらを組み込み、手で触れる外装表面の温度を下げることを目指しました。

研究の目的は、空気層やグラファイトなどを単独で使う構成と比べ、半導体の接合温度への影響を抑えつつ、定常状態でのシステム性能を改善することでした。実験では、いずれも約350 µmの厚さを持つ4種類の熱対策構成を作製しました。その後、3DMarkのSling Shot Extremeを使い、Pixelに熱負荷をかけて試験しました。

結果は有望でした。グラファイト、断熱材、空気層をそれぞれ単独で使った構成と比べ、最大接合温度（TJ）の上昇を1°C未満に抑えながら、定常状態の接触表面温度を最大3.2°C低下させました。

この研究は、高性能断熱材とグラファイトの複合構成が、高出力で薄型のモバイル機器設計に役立つと結論付けています。ただし、最適な構成は機器ごとに異なります。消費電力と利用可能な空間の違いにより、それぞれ固有の熱管理上の課題が生じるためです。

断熱と熱管理は、より持続可能な社会を実現するうえで大きな可能性を持っています。効果的な断熱や熱管理の研究は、基本的には材料の特性を調べ、用途に応じて最適化する取り組みです。すでに多くの研究が進められており、今後さらに発展すると期待されます。

暖房・冷房のエネルギー消費を減らす鍵になる可能性がある適応型屋根タイルについては、こちらをご覧ください。