Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

熱物性 / 計測技術 / ナノテクノロジー / 熱伝導率 / 温度伝導率 / 近接場光

本研究は,まず「近接場光を用いたナノスケール温度変化検知法」を構築し,周期加熱法を導入することによって「近接場光を用いたナノスケール熱物性計測法」を確立することを最終目標としている.研究期間(平成14年度〜平成15年度)に,以下に挙げる具体的な成果を得ることができた.
「近接場光を用いたナノスケール温度変化検知法」
1,ピエゾ走査ステージならびに励振システムから構成される制御システムと光学システムを融合することによって,近接場光の励起および微弱光検知が可能となった.
2,本測定法の妥当性を確認するために,回折格子ならびに厚み150nmのAl薄膜を用いた予備的測定を行い,光の回折限界を超えた高い空間分解能で試料の温度変化を十分に検知可能であることが明らかとなった.
「近接場光を用いたナノスケール熱物性計測法」
1,「近接場光を用いたナノスケール温度変化検知法」にLDパルス変調システムを導入し,高速周期変調可能な近接場光加熱システムを構築した.空気ばね式除振装置ならびにプローブ励振法を導入することにより,安定した近接場信号を検出することが可能となった.
2,厚さ125nmのAl薄膜ならびに単層カーボンナノチューブの測定を行った.得られた近接場光信号は,明らかにナノスケールの結晶構造を反映した周波数特性を示し,ナノメートルオーダーの非常に高い空間分解能で熱物性情報を光学的に抽出することに成功した.
以上得られた知見より,近接場光を用いてナノスケール熱物性計測が十分可能であることが明らかとなり,ナノ新材料の熱物性解明の有力な計測手法として本測定法が適用可能であることが示された.

傾斜機能材料 / 熱物性 / フォトアコースティック法 / 温度伝導率 / 複合材料 / 熱伝導率 / フォトサーマル法

本研究では、傾斜機能材料(FGM)の熱物性値評価装置の開発の開発を目標として,フォトアコースティック法とフォトサーマル法の原理による測定方法の検討を行った。研究成果は以下のようにまとめられる。
1.フォトアコースティック法の測定理論をFGM測定用に拡張し,多層膜における表面温度のAC応答成分の理論解を求めた。
2.得られた温度応答の解から,FGM内部の熱物性値がどのように分布しているかを計算する逆問題について検討を加え,2層および3層の場合については,解析プログラムを作成し,適切な初期値を与えれば,位相差信号から,内部の熱物性値を抽出可能なことが明らかになった。
3.熱物性値の分布状態があらかじめ良くわかっている2層サンプルを用いて,開発した装置とデータの解析方法の妥当性を確認することができた。
4.比較的厚いFGMにも適用可能な,フォトサーマル法の装置を新たに設計・製作した。
5.フォトサーマル法の測定理論をFGM測定用の拡張し,多層膜における表面温度のAC応答成分の理論解を求めることができた。特に,低周波数域における3次元の温度波の影響を定量的に明らかにすることができた。
6.熱物性値の分布状態があらかじめ良くわかっている標準的なFGMサンプル(Ni/ZrO_2系)を用いて,開発した装置とデータの解析方法の妥当性を検討し,十分実用測定が可能なことが明かとなった。

岩石 / 比熱 / 地熱 / 示差熱分析計 / 熱伝導率 / 温度伝導率

地熱開発などと関連して、最近特に重要視されている岩石の熱物性のうち。最も測定例の少ない、高温下での比熱を、示差熱分析計で測定した。これと平行して、間接法で比熱を求めるため、高温下での岩石の熱伝導率と温度伝導率を測定した。熱伝導率と温度伝導率の測定は、細線加熱法によった。
示差熱分析計による測定では、問題点として再現性があげられた。この解決法として、空容器、試料容器、標準試料容器の重量が一定範囲以内のものにつき限定して使用した。また、試料の粒度は小さいものほど安定した結果が得られるようであった。このような測定技術上の改善を試みたところ、昨年より安定したベ-スラインが得られるようになった。しかし、個々の測定による、測定誤差が10%以上で、再現性の面では完全なものとはならなかった。
間接法に関しては、加熱線と岩石試料との接触に十分気を使い、岩石に溝を切り込んだところ、温度伝導率の測定で重要な、温度の対時間の立ち上がり部分が理論曲線にかなり一致した。熱伝導率に関しては、花崗岩、安山岩、砂岩、頁岩、石炭につき400ー600℃の温度範囲で測定できた。比熱に関しては、常温での値しか求められなかったが、ほぼ妥当な値が求まった。しかし、前述のように直接法との比較はできなかった。

温度伝導率 / 熱伝導率 / 強制レイリー散乱法 / 非接触測定法 / 液晶 / 溶融塩

本研究で得られた成果の概要を各年度ごとにまとめると以下のようになる。
〔昭和59年度〕
1.強制レイリー散乱法による液体の温度伝導率測定装置を製作し、その機能と測定原理の確認を行なった。
2.各種の測定誤差要因(試料層厚さ,容器壁厚さ,染料濃度)の実験的検討を、従来のデータの良くそろっているトルエンを用いて行なった。
〔昭和60年度〕
1.測定装置の精度の向上および適用範囲の拡大を目指して次のような改良検討を行なった。(1)コンピュータによるオンライン計測,(2)CCDによる格子間隔測定,(3)加熱時間の延長。
2.強制レイリー散乱法の各種液体への適用を確認するために次のような物質についての測定を行なった。(1)有機液体(トルエン,ヘキサン,ヘプタン,メタノール),(2)水,(3)液晶。
〔昭和61年度〕
1.各種誤差要因を理論的に解析し、実験との比較を行なった。考慮した誤差要因は、(1)試料容器壁の影響,(2)試料に添加する染料の影響,(3)加熱領域が有限でかつ加熱光強度がガウス分布している影響,(4)初期加熱時間が有限である影響,(5)試料厚みが回折効率に与える影響である。
2.高温の溶融塩に適用できるように装置の改良を行ない、また溶融塩用の染料の選択のための着色実験を行なった。
3.溶融塩の測定を試み、NaNO3は約330℃、KClについては約1000℃までの測定を行なうことができた。その結果KClでは過去の測定値が、2〜3倍も大きいことが明らかとなり、この方法の高温流体への適用性が広げられた。

【研究分担者】
馬場哲也	工業技術院計量研究所	計測システム部	室長

【研究分担者】
茂木源人	東京大学	工学部	助手	(Kakenデータベース)
杉浦哲雄	東京大学	工学部	助手	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
長坂雄次	慶応義塾大学	理工学部	講師	(Kakenデータベース)