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方向固化と位相安定化

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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。

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