新しい原理に基づくレ-ザ-フラッシュ法による薄膜状物質の熱拡散率測定装置の試作

1990 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 01850145
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 早稲田 嘉夫 東北大学, 選鉱製錬研究所, 教授 (00006058)
• 研究分担者: 太田 弘道 茨城大学, 工学部, 助手 (70168946) ; 杉山 和正 東北大学, 選鉱製錬研究所, 助手 (40196762)
• キーワード: レ-ザ-フラッシュ法 / 熱拡散率測定 / 薄膜物質 / 光外線検出器 / ステンレス薄帯 / 空間感度分布

研究概要

近年、薄帯状試料の熱拡散率を迅速かつ正確に決定する測定法の確立が切望されている。本研究では、レ-ザ-フラッシュ法を用いて薄帯状物質の面方向・厚さ方向の熱拡散率を測定する方法の開発・測定装置の試作を行った。得られた結果を要約すると以下の通りである。
1.スリットによりライン状に絞ったビ-ムをフィルム状試料の表面に照射し、レ-ザ-ビ-ムを照射した位置から2〜3mm離され場所で試料裏面の温度応答を測定し得られた温度応答と理論温度応答とを比較することによりフィルムの面方向の熱拡散率を求めた。試作した装置は大形の放物面鏡により試料裏面の狭い領域から放射される赤外線を検出器上に集光し高いS/N比で温度応答を測定できる構造とした。白金(厚さ25μm)、銅(厚さ18μm)について測定行い、本手法の有効性を確認した。
2.薄体の厚さ方向の測定はレ-ザ-光が照射される面の真後ろで温度応答を計測した。試料が薄い場合はビ-ムのパルス幅の影響が大きくなり従来の手法が適用できないため技レ-ザ-のビ-ム強度を時間の関数として測定しこの値から裏面の理論温度応答を計算し、理論応答と実際の応答を比較することにより熱拡散率を導出した。この手法を用いてSUS304(厚さ50μm)、ニッケル(厚さ130μm)の熱拡散率を求めた。
3.試料がやや厚いフィルムで異方性の大きい場合の熱拡散率の測定法として2次元熱移動方程式を有限要素法により解き、この解と実測の温度応答とを比較することにより厚さ方向および面方向の熱拡散率を導出する手法を開発した。パイロティックグラファイト、ホットプレスしたボロンナイドライドの厚さ方向と横方向の熱拡散率を求めた。
4.実用上重要な多層積層フィルムの熱拡散率を求めるための予備的検討として種々の混合比のSUS304/ZrO_2複合材を積層した材料の温度応答について実験的、理論的検討を行った。

研究成果

• [文献書誌] Hiromichi Ohta,Hiroyuki Shibata,Yoshio Waseda: "New attempt for measureing thermal diffusivity of thin films by means of a laser flash method" Rev.Sci.Instrum.60. 317-321 (1989)
• [文献書誌] InーKook Suh,Hiromichi Ohta,Yoshio Waseda: "Thermal diffusivity measurements of molten calcium ferrite slags" High Tem.Mater.& Process. 8. 231-239 (1989)
• [文献書誌] 太田 弘道,柴田 浩幸,小倉 岳,早稲田 嘉夫,渋谷 幸生,布施 正樹: "ランダム配向光ファイバ-束によるルビ-レ-ザ-のエネルギ-分布の均一化および熱拡散率測定への応用" 熱物性. 3. 102-105 (1989)
• [文献書誌] 柴田 浩幸,小倉 岳,太田 弘道: "レ-ザ-フラッシュ法による薄帯状試料の面方向及び厚さ方向の熱拡散率測定" 熱物性. 4. 36-41 (1990)
• [文献書誌] Hiromichi Ohta,Gaku Ogura,Yoshio Waseda,Mutsumi Suzuki: "Thermal diffusivity measurements of molten salts using a threeーlayered cell by the laser flash method" Rev.Sci.Instrum. 61. 2645-2649 (1990)
• [文献書誌] Gaku Ogura,InーKook Suh,Hiromichi Ohta,Yoshio Waseda: "Thermal diffusivity measurements of boron oxide melts by laser flash method" J.Ceram.Soc.Japan,Inter.Ed.98. 320-322 (1990)