塑性変形限界を利用した4GPa級非磁性ピストンシリンダー型高圧装置の試作

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13874041
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 上床 美也 東京大学, 物性研究所, 助教授 (40213524)
• 研究分担者: 森 多美子 東京大学, 物性研究所, 助手 (70174373) ; 東堂 栄 東京大学, 物性研究所, 助手 (10114571) ; 小坂 昌史 埼玉大学, 理学部, 助教授 (20302507) ; 辺土 正人 東京大学, 物性研究所, 助手 (00345232)
• キーワード: 圧力発生装置 / ピストンシリンダー / NiCrAl合金 / CuBe合金 / 強相関 / 低温

研究概要

本研究は、極低温下、物性測定に用いる非磁性ピストンシリンダー型圧力容器を用いて得られる最大発生圧力を従来の2GPaから4GPa程度に引き上げることを主目的として行われた。当初CuBe合金を用いて塑性変形を利用した研究を行っていたが、非磁性合金としてこれまでのCuBeより優れたNiCrAl合金が開発され入手できるようになった。この合金を用いることにより弾性域で約3.5GPa程度発生できることがわかったので、さらに4GPa以上の圧力を発生させるため塑性域を利用した圧力装置作製のため昨年度に引き続き圧力装置の材料としてのNiCrAl合金の特性試験およびシリンダーとしての耐荷重試験、実際の物性測定試験を行った。
圧力発生装置はCuBe合金の中にNiCrAl合金を圧嵌めしたハイブリッド構造とした。昨年度弾性域を利用することにより4GPa程度まで、発生させることに成功した。このとき用いたシリンダーは外形24mmφ内径5mmφであった。さらにこの合金を用いたときの圧力発生効率が約80%程度であった。このときの限界圧力を決定しているも部品はシリンダーではなくピストンであることが判明したので、ピストンの強化を行った。実際はこれまでのタングステンカーバイト(WC)合金を焼結ダイヤモンドピストンに変更し試験を行った。その結果、これまで4GPa以上の圧力を発生できる成功率が1割程度から5割以上に上昇した。しかし、4GPa以上の圧力を発生させると焼結ダイヤモンドさえ破壊してしまうことが明らかになった。今後はピストンをより堅いと思われるSiC等で試してみたい。
現在、室温で5GPa弱および極低温(約30mK)で3.7GPa発生出来る圧力容器が作製されている。

研究成果

• [文献書誌] Kawarazaki S, Uwatoko Y, Yokoyama M, Okita Y, Tabata Y, Taniguchi T, Amitsuka H: "Cryogenic system for neutron scattering experiments with in situ pressure tuning mechanism : response of the antiferromagnetism of Uru_2Si_2 to uniaxial stress"Japanese Journal of Applied Physics Part 1-Regular Papers Short Notes & Review Papers. 41. 6252-6255 (2002)
• [文献書誌] Uwatoko Y, Todo S, Ueda K, Uchida A, Kosaka M, Mori N, Matsumoto T: "Material properties of Ni-Cr-Al alloy and design of a 4Gpa class non-magnetic high-pressure cell"Journal of Physics -Condensed Matter. 14. 11291-11296 (2002)
• [文献書誌] Uchida A, Kosaka M, Mori N, Matsumoto T, Uwatoko Y, Sarrao JL, Thomson JD: "Effect of pressure on the electrical resistivity of a single crystal of YbInCu_4"Physica B. 312. 339-340 (2002)