67 材料技術 磁場を利用した材料開発・評価 鹿児島大学大学院 小山・三井研究室 研究キーワード：磁場 たとえば… 強磁場…結晶の配向、相転移、拡散、対流に影響 10 T (1 Tは地磁気の20,000倍)級の磁場を使用する 単結晶シリコンの育成 磁場によるシリコン融液の 対流抑制 材料合成や機能性発現に磁場を積極的に利用 強磁場中での合成過程、機能発現を観測する装置を開発 主な研究対象：金属 (磁石材料、形状記憶合金、磁気冷凍材料) 有機材料、無機材料 大きな単結晶が育成可能 磁場の影響を受けなさそうな対象(たとえば、磁化の小さな非磁石材料やバイオ材料)も、 その合成過程や組織形成において様々な影響を受けます。 磁場に関する様々なご相談や共同研究をお待ちしています。 当グループの研究トピック： ●磁場で動作する形状記憶合金や磁気冷凍材料の基礎評価 1. 磁性形状記憶合金 冷却 通常、形状記憶合金は、温度によって形状が元に戻ります。 一方、磁性形状記憶合金は、磁場によって形状回復するもの があり、磁場駆動のアクチュエータとして研究されています。 母相 加熱 磁性形状記憶合金では、 磁場で形状が回復 応力 マルテンサイト相 形状記憶効果の概略図 2. 磁気冷凍材料 磁気冷凍は、従来のフロン、代替フロンを使用しない 磁場を利用した新しい環境調和型冷凍技術として 期待されています。 磁場なし 外部磁場 電子 スピン 磁場によって吸熱と発熱を起こす(磁気熱量効果) 材料が 盛んに研究されています 吸熱 発熱 磁場による熱の制御 当グループでは、これらの材料の特性について、 X線回折測定や、電気抵抗測定、磁化測定を強磁場中で行うことで、材料の性能評価を行っています。 ●磁場による分解・合成の観測 熱電対 (磁場中熱分析) 石英管 磁場中心 合成 磁場 + 液体 外径32 mmの熱分析装置 世界最高定常磁場(45 T)中測定が可能 分解 MnBiの合成と分解を磁場で制御 永久磁石材料MnBiにおいて、強磁場中熱分析及び、磁化測定によって 分解温度が磁場で大きく変化すること 磁場によって合成・分解が制御可能なこと Bi-Mn系の平衡状態図※もまた、磁場によって大きく変化する ことを明らかにしました。 ※平衡状態図は材料開発の基礎となるもので、磁場中材料開発に大きく寄与する結果です。 Bi-Mnの18 T中平衡状態図 ●市販の超伝導マグネット中でX線回折測定を行う装置を開発 10 T中で測定可能なX線回折システムを開発しました。 ((株)トライ・エスイーとの共同開発) 市販の100 mmボアを有するマグネットを 使用し、簡便に磁場中X線回折測定を行う ことが可能です。 磁場による結晶配向、 機能材料の機能発現の観測、 カセット式カメラにより 有機物の磁場中合成過程の観測ができ、 試料を動かさず 磁場を利用した材料開発の推進が期待されます。 磁場中でフィルムの交換が可能 10 T超伝導マグネットに挿入 ●磁石材料の磁場中合成効果 永久磁石材料MnBiの合成過程に対する磁場効果を明らかに しました。本研究では、 Mn (固体)+ Bi (固体)→ MnBi (固体) の反応焼結が磁場で著しく促進することを発見しました。 また、合成されたMnBiの結晶は 磁場方向に 平行に配向することがわかりました。 以上の結果は、マンガン基の磁石合成に磁場が有効である ことを示しており、新規の磁石合成法として期待されます。 d 特願2013-197699：「永久磁石の製造方法」三井好古、小山佳一 他 三井好古、小山佳一 鹿児島大学プレスリリース 2014.8. ●強磁場中で溶解のその場観察と熱分析を同時に行う装置を開発 小型CCDカメラを使用して強磁場中で材料の溶解、 合成過程をその場観察する装置を開発しました。 本装置では、同時に熱分析を行うことで、 試料の形態と相転移の情報を同時に得ることが可能。 現在、更に鮮明な像を得ることを目指して、 ヴァージョンアップを行っています。 直径100 mmに収まる大きさで、超伝導マグネット中に挿入 その他 バイオ（食品・農業分野）材料の磁場効果の研究も進めています これまでに行った企業との共同研究 2007-2009 年：強磁場X線カメラシステムの開発 (株)トライ・エス・イーとの共同開発 2008-2009 年：強磁場環境を利用した材料の組織制御に関する研究 (株) ケーヒンとの産学連携研究（特許出願2012） 連絡先：鹿児島大学大学院理工学研究科 物理・宇宙専攻 小山佳一 TEL: 099-285-8070 e-mail : [email protected] 三井好古 TEL: 099-285-8082 e-mail : [email protected]
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