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本研究では、微小動力下における材料作製プロセスに対し高品質化のための提言を行うために、微小重力下で顕在化する界面張力差駆動対流(マランゴニ対流)の機構を厳密に解明し、それに基づいた界面張力差駆動対流の制御・促進等の制御法を確立することを目的として研究を行った。
本研究では、フローティングゾーン法および水平ブリッヂマン法(共に半導体単結晶育成法の一種)を模擬し、通常重力下において、(1)常温流体を用いた層流・振動流時における運動量・熱移動現象、(2)半導体融液を用いた層流時、及び磁場印可時における運動量・熱移動現象に関する実験的研究を行い、航空機・落下塔を利用した本格的な微小重力下においては、特に上記(1)に対応する実験的研究を行った。さらに上記(1)、(2)に対応する二次元数値計算コードを開発し、上記実験的研究との比較を行った。
これらの研究により、(1)試料物性(プラントル数)および各種操作条件(温度差、自由界面長さ、融液深さ、磁場)が、界面張力差駆動対流に及ぼす影響、(2)重力および各種操作条件(自由界面長さ、融液形状)が層流-振動流間の遷移臨海条件に及ぼす影響、(3)重力および各種操作条件(温度差、自由界面長さ、融液形状)が速度・温度振動特性に及ぼす影響を明らかにした。
本研究により、微小重力下における材料作製時の融液内諸移動現象が明確化され、これに基づく界面張力差駆動対流の抑制・促進等の制御を行うことにより、微小重力下のみならず通常重力下においても高品質材料の作製が可能になるものと期待される。
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