超音波を用いた溶融液凝固におけるマイクロ・ナノ構造のアクティブ制御

Research Project

Project/Area Number	22K03975
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 19020:Thermal engineering-related
Research Institution	Ishikawa National College of Technology
Principal Investigator	義岡秀晃石川工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (80259845)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	経田僚昭富山高等専門学校, その他部局等, 准教授 (50579729) 八賀正司公立小松大学, 保健医療学部, 教授 (80123305)
Project Period (FY)	2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2022: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Keywords	融解凝固 / 材料製造 / 組織制御 / 超音波 / 結晶成長 / マイクロ・ナノ
Outline of Research at the Start	本研究では、多様な環境材料の高性能・高機能化を目指し、バルク体において凝固相に方向特性を有するマイクロ・ナノ構造を発現させるための新規手法を追究する。はじめに、超音波発信系を備えた凝固システムを構築し、透光性の溶液等を供試した動的凝固の可視化実験を行い、超音波を付与した凝固による結晶パターン形成と方向特性の発現の機序を明らかとする。次に、実用合金等を供試した材料製造実験を行い、得られた試料に対して結晶構造解析を実施し、超音波付与による分子スケール配向特性への効果を立証する。最終的には、超音波によるアクティブ凝固制御の最適化法を確立する。
Outline of Annual Research Achievements	本研究は、液固相変化に伴う結晶の成長とパターン形成を超音波の音響放射圧による力を利用してアクティブに制御することを目的とするものである。ここで制御されるミクロ構造は、バルク体において広範囲の階層スケールでの異方性発現を目指したものであり、潜熱蓄熱材や合金・半導体などの多様な環境材料への応用が期待される。研究の初年度となる本年度は、まず超音波発信系を備えた凝固観察システムを組み上げ、純水を供試した動的凝固の可視化実験を行なった。超音波発信系は、関数発生器からの電気信号をアンプで増幅し、凝固セルに設置した圧電素子にて試料内部に安定な定在波を形成させた。同時に、凝固場の温度計測にて、初期過冷度と冷却速度の変化を解析した。波形の観測にはオシロスコープを用い、振幅・周波数・位相差の変化を解析した。併せて、結晶成長の様相を偏光顕微鏡で観測し、動画として記録した。本年度で得られた主な成果を以下に示す。（１）対面する二つの超音波発信子から同位相の正弦周期波形を発信することにより、冷却過程にある試料内部に定在波を形成させた。定在波中に混入した固体粒子は実験周波数に対する波長の半値でほぼ等間隔に配列することが観測された。（２）超音波定在波の音響放射圧による力の解析モデルにより、媒質中の小球粒子が受ける力の向きは、媒質と粒子の密度で求まる特性量と、圧縮率の比によって決定され、純水中の氷粒子は定在波の節に集まることが明らかとなった。（３）冷却操作によって、試料融液の過冷却崩壊に伴う自由デンドライト成長ならびに外部冷却による伝熱支配の凝固過程が、結晶モフォロジーと配向性（偏向色）とともに観察することができた。しかしながら、超音波による氷晶の溶断と再配列は観測されなかった。今後の課題としては音圧の増大とともに、定在波維持のために行っている多段階冷却の条件設定を変化させ、氷晶の配列化を目指す。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の計画通り、凝固セル、超音波送受信回路、冷却系、観察・測定系からなる装置を組み上げ、超音波定在波の周期的な圧力振幅を受けた音場中での動的な凝固プロセスを観察し、ミクロ凝固挙動を明らかにするための実験システムを構築できた。
Strategy for Future Research Activity	超音波定在波による音響放射圧による力を利用し、凝固過程で形成されるマッシュ域における結晶粒を超音波マイクロマニピュレーションによって確実に定在波の腹（あるいは節）にトラップするためには、凝固初期で形成される結晶同士のネットワーク構造を緩め、液中に固体結晶が浮遊した状態に近づけることが必要であり、その目的に対して複合成分化や凝固素過程との関連づけた冷却操作の多段階操作法について検討する。また、本研究による超音波送受信システムを高温環境に適用し、氷と同じ稠密六方格子構造を有するマグネシウム合金等を供試して異方性材料製造への応用を推進する。