方向固化と位相安定化

Directional Solidification and Phase Stabilization

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Materials Engineering

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Directional Solidification and Phase Stabilization

7.5: Focused Ion Beams

7.12: Ceramic-matrix Composite Materials and Their Bending Properties

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08:32 min

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January 16, 2018

Overview

出典:シナ・シャーバズモハマディとペイマン・シャーベイギ=ルードポシュティ,コネチカット大学工学部,ストールズ,CT

方向固化ゾーン融解は、結晶の狭い領域(通常はバーの形)が溶融する冶金プロセスです。炉はロッド形状サンプルに沿って移動し、溶融ゾーンが結晶に沿って移動し、溶融ゾーンがバーの一方の端から他方の端に移動することを意味します。このメカニズムは合金に広く使用されていますが、溶質原子は溶融物に分離する傾向があります。このタイプの合金では、不純物も溶融物に濃縮され、移動溶融ゾーンと共に試料の一端に移動する。したがって、ゾーン融解は、商業材料精製のために最も広く使用されています。図 1.は、高不純物溶融ゾーンがバーの一方の側からもう一方の側にどのように移動するかを示しています。縦軸は不純物濃度、横軸は試料長である。不純物が溶融領域に分離する傾向があるため、溶融物中の濃度は固体よりも高い。したがって、溶融材料がバーの端に移動すると、不純物はバーの端に輸送され、その背後に高純度固体材料を残します。

図1:ゾーン融解方向固化時の組成変化の概略図

本研究では、Pb-Cd合金の安定構造を合成するためにゾーン融解方向固化装置を採用する。

Principles

材料精製に加えて、ゾーン融解方向固化は安定した微細構造を開発することができる。しかし、液体中に拡散プロセス(固体液体界面に近い)を有すると、溶融物中の混合および対流電流を引き起こし、不安定な微細構造形成を引き起こす可能性がある。腹外反応において安定な相発達は特に重要である。

図2は、位相図における腹外反応の概略を示す。図2で実証されているように、腹前反応は、固相(例えばα)と液相(L)が冷却されるにつれて第2の固相(β)を形成する固化反応である(L+αβ)。図の矢印は、冷却プロセスとフェーズの形成方法を示しています。

図2:位相図における腹外反応の概略図

バンディング(図3)は、液体中の対流の振動モードに起因する比較的低い成長率で方向的に固化した腹膜合金における共通の構造である。液体は、成長界面に近く、他の相に対して冷却される。したがって、一次相は定常状態に達することができず、第2相は一次相に先んじて核化し、成長します。同様に、第一相は、第2相の一過性成長体制の間に核化することによって第2段階が定常状態に達するのを防ぎ、α相およびβ相の交互バンドを導き、ペリテックにおけるプランナーインタフェースにほぼ平行に形成されるシステム。バンディング構造は、Fe-Ni、Sn-Cd、Zn-Cu、Sb-Sn、およびPb-Biを含む多くの腹膜系で観察されている。個々の層の幅、それらの間の空間およびそれらの安定性は成長速度および核温度によって大きく影響される。さらに、液体中の組成範囲および対流は層構造を変化させることができる。

図3:帯構造の概略(白:α、黒:s、G.D.:成長方向)。

本研究では、対流の影響を避ける仕組みを持つゾーン融解方向固化炉の採用を目指す。炉(図4)はUConnで設計され、開発されています。固化のプロセスは垂直方向にあります。したがって、溶質がより多くの密度を有する場合、溶融物をベローを移動する。その後、炉の直後に冷却ゾーンは、対流/混合のための十分な時間を持つ前に、溶融材料を凍結します。したがって、この技術は、比較的重い溶質を有する合金に限定される。

Pb-Cd、Pb-Bi、またはSn-Cdシステムの合金は、固相の拡散が比較的遅い前述のシステムの成長条件を確立するために、異なる熱勾配と速度で方向的に固化する必要があります。すべてのサンプルは、純粋な金属(初期純度99.99%以上)から作られるべきです。

図4:UConnで開発したゾーン融解凍結方向固化炉

Procedure

直径8mmのパイレックスチューブに100μmのクロムルアルメル熱電対(0.1cmダブルボアムリット保護管)を挿入します。チューブの長さは約30cmでなければなりません。熱電対先端は、窒化ホウ素スラリーでコーティングする必要があります。
まずるつぼで合金を溶融し、部分的な真空を用いて溶融合金をパイレックスチューブに引き込むことで所望の組成物の棒を形成する。このためには、パイレックスチューブの端に取り付けられた電球を使用して、溶融物をチューブに吸い込めます。
試料を垂直抵抗ゾーン溶融・凍結装置に入れる(図4)。発熱体と次の寒気との距離は0.5cmに設定されている。
炉を実行して、下から上に垂直に移動します。少なくとも3つの指向性ゾーン溶融凍結パスが示唆される。
パイレックスチューブからサンプルを取り出し(チューブを壊します)、微細構造の特性評価のために研磨します。研磨には、3段階のSiCペーパー(600、800、1200)を使用し、続いてアルミナ/コロイドシリカ研磨粒子(3μm、1μm、0.05μm)の3ステップを使用します。
光学顕微鏡を用いて微細構造を解析します。

ゾーン融解方向固化は、固体材料中に安定な相を調製するために用いる冶金法である。固化プロセスの間、溶融合金は固体を形成する様々な相に冷却する。指向性固化炉を使用して、固体材料内部の相形成および安定化のプロセスは、十分に制御される。このビデオでは、方向固化の原理を示し、実験室の設定でそれらを適用する方法を示し、固体サンプルで安定した微細構造を開発します。

まず、液体の冷却を伴う固化自体のプロセスを詳しく見てみましょう。温度が下がるにつれて、液体の粒子はゆっくりと動き、核形成を開始し、「固相」と呼ばれるものを形成する。この原理は、温度が変化するにつれて材料の異なる相を示す位相図に示されています。固液相相付近では、液体中の粒子拡散のプロセスが起こる。これは、混合を引き起こす可能性があり、溶融物中の対流電流は、不安定な微細構造の形成につながる。このビデオの合金は、アルファ相とベータ相の2種類の固相で形成されています。腹腹形成反応の特定の場合には、固相αが液体と相互作用し、第2の固相ベータを形成する。低成長率では、αとベータ相の交互バンドが形成される。

これを「バンディングプロセス」と呼びます。バンディング構造は、液体内部の対流の振動モードの結果です。組成範囲は、液体中の対流、核温度、および成長速度がバンディング結果の特性を決定するであろう。これらは、個々のバンドの幅、バンド間のスペース、および安定性によって定義されます。ゾーン融解炉を垂直方向に用い、固化処理を制御するきちんとした方法である。この実験では、液体が調製された炉に固体を移動させ、溶融物を凍結する冷却ゾーンに直ちに移動する。この遷移は、液相内部の対流を回避するのに十分な速さで行うことができる。高温ゾーンと低温帯と速度の間の熱勾配は、固相の成長条件を制御するために容易に調整することができる。次に、ゾーン融解方向固化炉を用いた実験において、これらの原理がどのように適用されるかを見ていく。

まず、長さ30cmのパイレックスチューブを取り、外径8mmを有する。100ミクロンのクロムルアルメル熱電対を選択し、0.1cmのダブルボアムリット保護チューブで覆われ、その先端を窒化ホウ素スラリーでコーティングします。その後、熱電対をパイレックスチューブに慎重に挿入します。次に、合金サンプルを計量し、るつぼに入れます。合金が溶けるまで炉の中にるつぼを残します。パイレックスチューブの端に電球を取り付け、電球を使用して吸引を適用し、ガラス管に溶融物を引き込みます。チューブの中に形成された乗り身は、次の実験で使用されます。

特に垂直固化のために設計および開発されたカスタム構築された装置の中にサンプルを置きます。このセットアップは、2つの冷却システムの間に挟まれた炉で構成されています。発熱体と以下のチョゾーンとの距離は0.5cmに設定されている。熱電対をデータ集録モジュールに接続し、このモジュールをコンピュータに接続します。下から上へ、炉の垂直ランに進みます。実行時間を記録し、パイレックスチューブに沿った炉の動きの速度を決定します。炉内の溶融合金の温度とチルゾーン内の温度の差を取って、熱勾配を決定します。

まず、ガラス管を割ってこのサンプルを取り除きます。バンドソーを使用してサンプルを所望の長さに切断し、エポキシ樹脂を使用してサンプルを取り付けます。以下の工程で試料の研磨に進みます。まず、グレード600のシリコンカーバイド紙を使用し、次にグレード800のシリコンカーバイド紙で研磨し、最後にグレード1200を研磨します。今、研磨を終了するためにアルミナ研磨粒子を使用しています。3ミクロン、1ミクロン、0.05ミクロンサイズの粒子を順番に使用してください。サンプルは、その微細構造をイメージングすることによって分析する準備が整いました。光学顕微鏡を用いて、リード-55カドミウム合金試料の画像を縦軸と横軸で得る。微細構造が明らかにされ、これは指向性ゾーン溶融凝固に由来する。

それでは、取得した画像を見てみましょう。鉛-55カドミウム合金試料の縦型および横顕微鏡写真は、ゾーン融解方向固化時に発生する複合様微小構造を示す。これらの微細構造は、熱勾配と速度比に依存します。まず、低比率の測定値から、分岐デンドライトとα相の細胞がベータ相のマトリックスに見られます。第2に、適度な比率で、β相のマトリックスにおけるα相の整列、安定した、分岐していない微細構造が開発される。

ゾーン溶融凍結方向固化炉は、様々な用途のための材料の安定した微細構造の開発を制御するための強力なツールです。この冶金プロセスでは、炉は棒状のサンプルに沿って移動し、固体の狭い領域を溶融します。不純物は溶融物の内部を分離する傾向があるため、移動溶融ゾーンとともにサンプルの一方の端に移動します。従って、ゾーン溶融凍結方向固化炉は、市販の合金精製に日常的に用いられている。ソーラーパネル技術はまた安定した固相の合金を利用する。実際、高品質の半導体は、バルク寿命を長くし、太陽電池の効率を高めるために不可欠です。

JoVEの方向性固化と位相安定性の導入を見たばかりです。ここで、ゾーンの融解と凍結の主体に基づいて、材料の微細構造開発が方向固化炉でどのように制御されているかを理解する必要があります。見てくれてありがとう。

Results

図5および図6は、光学顕微鏡で明らかになったPb-55Cd合金の指向性ゾーン融解凝固から開発された微細構造を、2つの異なるG/V比(G:熱勾配、V:パイレックス管に沿った炉の動きの速度)で示す。

低い比率(G/V=1.03×10 ^6(oC.Sec/Cm²⁾⁾⁾で、微細構造は、β相の行列におけるα相の分岐デンドライトから構成されていました。中程度のG/V比(G/V=1.55×10^6(oC.Sec/Cm2)では、α相の安定した微細構造(枝分かれデンドライトまたはセル)がβ相のマトリックスに配置される。

図5:Pb-55Cd合金の縦方向(左)および横(右)顕微鏡写真を、低比G/V=1.03×106(oC.Sec/Cm2)で撮影し、ゾーン融解方向固化時に安定した微細構造がどのように発達するかを示す。

図6:Pb-55Cd合金の縦方向顕微鏡写真を、適度な比率G/V=1.55×106(oC.Sec/Cm2)で撮影し、ゾーン融解方向固化時に整列安定な微細構造がどのように発達するかを示す。

Applications and Summary

この実験は、安定した微細構造を開発するために、特定のタイプのゾーン溶融凍結方向固化炉を採用することを実証する。室温で平衡状態にない2相不安定な微細構造とは異なり、室温での拡散により数ヶ月にわたって構造が劣化し、成長した試料で得られる単相構造は変化を受けません。

前述の炉が開発した安定相を有する試料は、バイオセンサや半導体など、長時間の塗布時の劣化を避けるために安定相を有する合金が必要な様々な産業に幅広い用途を有する場合があります。さらに、炉は、安定した、転移性相の形成に対流の影響を見つけることを目的とした研究に採用され得る。

Transcript

ゾーンメルティング指向性凝固は、固体材料中の安定相を調製するために使用される冶金学的方法です。凝固プロセス中に、溶融した合金はさまざまな段階に冷却され、固体を形成します。方向性凝固炉を用いることで、固体材料内部での相形成・安定化の過程を良好に制御することができます。このビデオでは、方向性凝固の原理を説明し、それらを実験室で適用して固体サンプルに安定した微細構造を開発する方法を示します。

まず、液体の冷却を含む凝固自体のプロセスを詳しく見てみましょう。温度が下がると、液体の粒子はゆっくりと移動して核を形成し始め、「固相」と呼ばれるものを形成します。この原理は、温度が変化するにつれて材料のさまざまな相を示す状態図に示されています。固液界面近傍では、液体中の粒子拡散の過程が起こります。これにより、混合が発生し、溶融物に対流が発生し、不安定な微細構造が形成される可能性があります。このビデオの合金は、アルファ相とベータ相の2種類の固相で形成されています。周晶反応の特定のケースでは、固相アルファが液体と相互作用して、第2の固相ベータを形成します。成長率が低いと、アルファ相とベータ相の交互のバンドが形成されます。

これを「バンディングプロセス」と呼びます。バンディング構造は、液体内部の対流の振動モードの結果です。組成範囲、液体中の対流、核生成温度、および成長速度によって、バンディング結果の特性が決まります。これらは、個々のバンドの幅、バンド間のスペース、およびそれらの安定性によって定義されます。ゾーン溶融凍結炉を垂直方向に使用することは、凝固プロセスを制御するための優れた方法です。この実験では、固体を液体が調製される炉に移され、その後すぐに溶融材料を凍結する冷却ゾーンに移されます。この遷移は、液相内部の対流を回避するのに十分な速さで実行できます。ホットゾーンとコールドゾーンの間の温度勾配と速度は、固相の成長条件を制御するために簡単に調整できます。次に、これらの原理がゾーン溶融指向性凝固炉を使用した実験でどのように適用されるかを見ていきます。

まず、外径30mmのパイレックスチューブを8cmの長さにします。0.1cmのダブルボアムライト保護チューブで覆われ、その先端が窒化ホウ素スラリーでコーティングされた100ミクロンのクロメルアルメル熱電対を選択してください。次に、熱電対をパイレックスチューブに慎重に挿入します。次に、合金サンプルを秤量し、るつぼに入れます。合金が溶けるまで、るつぼを炉の中に置いておきます。パイレックスチューブの端に電球を取り付け、電球を使用して吸引を加え、溶融物をガラスチューブに引き込みます。チューブの内部に形成されたライドは、次の実験で使用します。

垂直凝固用に特別に設計および開発された特注の装置内にサンプルを置きます。このセットアップは、2つの冷却システムの間に挟まれた炉で構成されています。発熱体と次のチョーゾーンとの距離は0.5cmに設定されています。熱電対をデータ集録モジュールに接続してから、このモジュールをコンピューターに接続します。下から上に、炉の垂直走行に進みます。稼働時間を記録し、パイレックス管に沿った炉の動きの速度を決定します。炉内の溶融合金の温度とチルゾーンの温度の差を取り、温度勾配を決定します。

まず、ガラス管を破ってこのサンプルを取り除きます。バンドソーを使用してサンプルを希望の長さに切断し、エポキシ樹脂を使用してサンプルをマウントします。次の手順でサンプルの研磨に進みます。まず、グレード600の炭化ケイ素紙を使用し、次にグレード800の炭化ケイ素紙で磨き、最後にグレード1200の炭化ケイ素紙で磨きます。次に、アルミナ研磨粒子を使用して研磨を終了します。3ミクロン、1ミクロン、0.05ミクロンサイズの順でご使用ください。これで、サンプルの微細構造をイメージングして分析する準備が整いました。光学顕微鏡を使用して、鉛-55カドミウム合金サンプルの画像を縦軸と横軸で取得します。方向性のあるゾーン溶融固化に由来する微細構造が明らかになります。

それでは、得られた画像を見てみましょう。鉛55カドミウム合金サンプルの縦方向および横方向の顕微鏡写真は、ゾーン融解方向性凝固中に複合材料のような微細構造が発達することを示しています。これらの微細構造は、温度勾配と速度比に依存します。まず、低比率での測定から、ベータ期のマトリックス中に分岐した樹状突起とアルファ期の細胞が見えます。第二に、適度な比率で、β相のマトリックス中にα相の整列した、安定な、分岐していない微細構造が開発される。

ゾーン溶融凍結指向性凝固炉は、さまざまな用途の材料における安定した微細構造の発達を制御するための強力なツールです。この冶金学的プロセスでは、炉は棒状のサンプルに沿って移動し、固体の狭い領域を溶かします。不純物は溶融物内で分離する傾向があるため、移動する溶融ゾーンとともにサンプルの一端に移動します。したがって、ゾーン溶融凍結指向性凝固炉は、商業用合金精製で日常的に使用されています。ソーラーパネル技術は、安定した固相を持つ合金も利用しています。実際、太陽電池のバルク寿命を延ばし、効率を高めるためには、高品質の半導体が不可欠です。

JoVEの方向性凝固と相安定性の紹介をご覧になりました。これで、指向性凝固炉を使用して、ゾーン溶融および凍結の原理に基づいて、材料の微細構造開発がどのように制御されるかを理解できたはずです。ご覧いただきありがとうございます。