異方性の強い微小固体の高温における弾性定数測定:電磁超音波共鳴による新しい測定法

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固体の自由振動の共鳴周波数を非接触かつ高精度に計測する電磁超音波共鳴を確立し,SiC繊維強化Ti合金複合材料,SiC繊維,Ni-P薄膜のすべての独立な弾性定数を計測することに成功した.ソレノイドコイル内に直方体試料を挿入し,外部から静磁場を印加する.高出力・高周波超音波発生器によってコイルに高周波電流を流し,試料表面に渦電流を発生させる.渦電流と静磁場の相互作用によってローレンツ力が生じ,これを音源として試料を振動させた.受信は送信の逆効果によって同じコイルで行った.ローレンツ力の方向は,静磁場の方向とコイルに流れる電流の方向によって決まるため,これらの幾何学的な関係を操作して試料内の変位の対称性を操り,その結果,発生する振動モードを選択することができた.こういったモード選択は,固体の自由振動の共鳴周波数から弾性定数をすべて決定するという手法において,不可欠な作業であることが明らかとなった.周波数をスウィープすることで,試料の自由振動の共鳴周波数を測定した.SiC/Ti複合材料に関しては,真空中および空気中,において室温から700℃の範囲で弾性定数をすべて決定することに成功した.空気中で温度を上昇させたときには,約500℃において弾性定数が変則的な変化を示した.真空中ではこのような現象は観測されなかった.組織観察の結果,空気中で実験を行った場合,SiC繊維とTiマトリクス間に酸化が原因と思われる剥離が観察された.このことから,500℃近辺では試料内に剥離損傷が生じ,これが原因で弾性定数の温度依存性に異変が起こることが明らかとなった.また,マイクロメカニックスによる逆計算によってSiC繊維単体の弾性率テンソルを決定するまでに至った.Ni-Pアモルファス薄膜に関しては,アモルファスでありながら弾性異方性が存在することを見出し,またその原因が,膜内の不完全結合部分に起因することを示唆することができた.