蒸気爆発による超急凍冷却現象を用いたアモルファス超微粒子の製造

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12555053
• 研究機関: 筑波大学
• 研究代表者: 阿部 豊 筑波大学, 機能工学系, 助教授 (10241720)
• 研究分担者: 渡辺 正 日本原子力研究所, 主任研究員 ; 松隈 洋介 九州大学, 大学院・工学研究院, 助教授 (70282241) ; 成合 英樹 筑波大学, 機能工学系, 教授 (70134210)
• キーワード: 蒸気爆発 / 新材料製造 / アモルファス超微粒子 / 強力超音波 / 音響定在波 / 溶融金属 / 超高速急冷 / 臨界冷却速度

研究概要

高温融体を低沸点液体中に投入した場合、条件によっては、圧力波の発生を伴う蒸気爆発現象が発生する。蒸気爆発現象の特徴は、冷却速度が極めて大きいということである。従来の冷却方法では、1秒間に1万度から100万度までの冷却速度しか達成できなかったのに対して、微粒化した蒸気爆発の粒子では、その一桁上の1秒間に1000万度の冷却速度が可能となる。このような「超急速冷却」が可能となるのは、高温融体が微粒化によって極めて微小な粒子となることと密接な関係がある。数ミリの高温溶融体液滴を用いた蒸気爆発実験においては、直径がサブミリ以下のほぼ均一な微粒子が形成されることが確認されている。さらに、このような「超急速冷却」時の冷却速度は溶融金属の臨界冷却速度を超えており、生成した微粒子が、通常の結晶組織ではなく、非晶質のアモルファスとなっていることも確かめられている。このような蒸気爆発による超急速冷却を用いて製造されたアモルファス超微粒子は、優れた力学的特性や電磁気的特性を有する極めて利用価値の高い素材となることが期待される。
本研究の目的は、蒸気爆発による超急速冷却現象を用いたアモルファス超微粒子の製造に必要となる要素技術の確立を目指すとともに、これらの要素技術を組み合わせて実際に金属アモルファス超微粒子の製造を試みることにある。
平成13年度においては、蒸気爆発による超急速冷却現象を用いたアモルファス超微粒子の製造に必要となる要素技術を確立した。具体的には、まず膜沸騰状態にある溶融液滴の強力超音波による保持技術を確立するとともに、そのために必要となる超音波発生システムならびに溶融金属液滴の射出システムから構成される実験装置の設計・製作を行い、作製した実験装置を用いて膜沸騰状態にある高温溶融体が、超音波によって保持できることを実証した。その結果、液体中の高温溶融液滴が強力超音波によって形成された定在波中に保持されることを、世界で初めて確認するとともに、蒸気爆発時を用いてアモルファス超微粒子を製造することが可能であることを実証することができた。

研究成果

• [文献書誌] 松隈洋介, 阿部豊, 栃尾大輔: "2次元格子ガスオートマトン法による液滴微粒化の数値計算"日本機械学会論文集B編. 67(659). 46-53 (2001)
• [文献書誌] 阿部, 松隈, 栃尾, 成合: "高温粒子表面上の膜沸騰の微視的崩壊挙動に関する研究"第37回日本伝熱シンポジュウム講演論文集. Vol.II. 81-82 (2000)
• [文献書誌] 阿部, 中谷, 松隈: "気泡および液滴制御のための超音波発生システムの開発"日本混相流学会年会講演会講演論文集. 115-118 (2000)
• [文献書誌] 阿部, 山本, 松隈: "音響定在波による気泡制御手法に関する研究"日本混相流学会年会講演会講演論文集. 119-122 (2000)
• [文献書誌] 阿部, 柳田, 成合, 八木田: "高温粒子表面上の蒸気膜崩壊の微視的挙動に関する研究"日本機械学会山梨講演会講演論文集. 183-184 (2000)
• [文献書誌] 阿部, 中野, 成合, 八木田: "超音波を用いた気泡・液滴制御に関する研究"第44回宇宙科学技術連合講演会講演論文集. 200 (2000)