低温下における制振合金M2052の減衰能評価

MnCuNiFe合金の低温における
内部摩擦の研究
東大新領域物質系専攻
三尾研究室丹治亮
背景

低温精密測定システム (< 100 K)


低温STM
大型低温重力波望遠鏡（LCGT）
要請1: 熱的接触と機械的絶縁の両立
要請2: 清浄真空の維持
→金属製制振材に期待
2003-Feb-7 (Wed)
第3回TAMAシンポジウム
2
MnCuNiFe (M2052)



Mn-20Cu-5Ni-2Fe
(at.%)
制振合金として市販
室温付近の内部摩擦は
調べられていて…


周波数によるピーク温度
のシフト
ひずみ振幅依存性
2003-Feb-7 (Wed)
第3回TAMAシンポジウム
Yin et al. J. Japan. Inst. Metals,
65 (2001) 607.
3
目的

170 K以下の内部摩擦はまだ調べられて
いない．そこで…
1. 低温の制振性の確認
2. 材料設計の基礎的知見の獲得
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第3回TAMAシンポジウム
4
MnCu (≳ 70 at.% Mn)の
物性: 内部摩擦
マルテンサイト変態
(f.c.c. → f.c.t.)
連携
双晶の形成
反強磁性転移
磁壁，磁歪効果
応力による
不可逆的
磁壁移動
双晶の運動による
応力/ひずみの緩和
内部摩擦
低温でどうなるか?
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第3回TAMAシンポジウム
5
MnCu （Mn濃度全域）の
物性: 磁性



カノニカルスピングラス (SG)
ミクト磁性 (M)
磁気クラスター
反強磁性・スピングラス
の形成
混合相 (AF + SG)
原因:
Mn間距離によってJの正負が変化

Mnの配置がランダム
→強磁性/反強磁性相互作用の混在

P. Gibbs et al. J. Phys. F: Met. Phys,
11 (1981) 27.
M2052にも現れるか？
摩擦に寄与するか？
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第3回TAMAシンポジウム
6
内部摩擦，弾性率測定 @ KEK

測定法: resonant-bar method



パラメータ



M2052板ばね（l x 5.0 mm x 0.50 mm, l : 板ばね長）
定常共振→減衰振動
内部摩擦: 対数減衰率δ
弾性率: (共振周波数 f0)2
条件



l = 51.6, 37.5 mm
ひずみ振幅: 1.0 x 10-4
温度: 4.2 ～ 300 K
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7
測定装置全体




コイル-マグネットで
励振
シャドウセンサで変
位ピックアップ
フィルタリング＆増
幅
DAQで取り込み
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8
共振周波数，対数減衰率
x(t )  A exp f 0t  cos2f 0t   
包絡線
Displacem ent (um )
200
傾き 
100
0
 f0
-100
-200
0.10
0.15
2003-Feb-7 (Wed)
0.20
Time (s)
0.25
0.30
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測定結果
板ばね長（共振周波数）変化
によるピークのシフト
→熱活性化と緩和
3
l = 37.5 mm
l = 51.6 mm
2
2.0
0.1
1.8
6
5
4
1.6
3
1.4
2

ヤング率のピーク
1.2
0.01
6
5
1.0
50
2003-Feb-7 (Wed)
第3回TAMAシンポジウム
100
150
200
Temperature (K)
250
10
Young's m odulus

160 K境に摩擦ピーク2つ
→低温で新たなメカニズム
Log. dec.

帯磁率測定 @ ISSP
MPMS (Quantum Design) で零磁場/磁場中（100 Oe）冷却
直流帯磁率を測定（測定磁場100 Oe）
温度履歴
→磁気クラスターの存在
Susceptibility (em u/g/Oe)

Tp
13.5x10
-6
13.0
12.5
12.0
ZFC
FC
11.5
11.0
50
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第3回TAMAシンポジウム
100
150
200
Temperature (K)
250
300
11
解析: 帯磁率と摩擦

-1
1/(chi - chi0) (g Oe emu )
1.0x10
式
C
T 
をフィッティング
  0 
6
0.8
Tf
Tp
0.6
0.4
ZFC
FC
Fitted
Log. dec. (l = 51.6 mm)
Log. dec. (l = 37.5 mm)
0.2
0.0
直線からの逸脱と低温摩
擦ピークの立ち上がりがほ
ぼ同時
→クラスターの磁気モーメント
の凍結と摩擦が関連
2
0.1
Log. dec.

8
6
4
2
0.01
8
6
50
2003-Feb-7 (Wed)
100
150
200
Temperature (K)
第3回TAMAシンポジウム
250
300
12
解析: 摩擦と緩和過程1
低温ピークに式
 
E
cosh1 
2
 kB

50x10
 1
1


 T  T0 Tm  T0



-3
40
Log. dec.

Tm : ピーク温度
30
l = 51.6 mm
l = 37.5 mm
Fit for l = 51.6
Fit for l = 37.5
20
10
をフィッティング
20
40
60
80
100
Temperature (K)
板ばね長 (mm)
ピーク温度 Tm (K)
共振周波数 f(Hz)
37.5
79.7 ± 0.9
89.0
51.6
72 ± 1
54.3
2003-Feb-7 (Wed)
第3回TAMAシンポジウム
120
140
13
160
解析: 摩擦と緩和過程1

1/Tm に対し ln(f) をプロット（アレーニウスプロット）
E 1
ln f  ln f 0 

k B Tm
グラフの傾き
ln(f) (ln(Hz))
4.4
→活性化エネルギー
(3.2 ± 0.5) x 10-2 eV
4.3
4.2
4.1
4.0
12.6
2003-Feb-7 (Wed)
12.8
13.0
13.2 -1 13.4
1/T m (K )
13.6
13.8 14.0x10
第3回TAMAシンポジウム
-3
14
解析: 摩擦と緩和過程2
式
 E 


  
,    0 exp
2 2
1  
 kBT 
が3つ重なり合っていると仮定して
フィッティング（l = 37.5 mm限定）
→最大のピークの活性化エネルギーE
(3 ± 1) x 10-2 eV
→前の結果と矛盾せず
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50x10
-3
Experiment
a
b
c
Sum
40
Log. dec.

30
20
10
0
20
第3回TAMAシンポジウム
40
60
80
100
Temperature (K)
120
140
160
15
活性化エネルギーの比較
過程
材料
活性化エネルギー
(x 10-2 eV)
備考
a. キンク対生成・移
動
Cu
14
kHz 以下
b. 双晶界面のstep
ring 生成・移動
Mn89Cu11
63 ± 3
c. スピングラスの
磁気緩和
MnCu (3.3 at.%
Mn)
0.34
ac磁化率測定
c. 同上
MnCu (4.6 at.%
Mn)
0.50
同上
c. 同上
MnCu (8 at.% Mn)
0.61
同上
d. ?
Mn73Cu20Ni5Fe2
3.2 ± 0.5
本実験
→MnCuの磁気緩和に近い値
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第3回TAMAシンポジウム
16
メカニズム

解析結果のまとめ



クラスター磁気モーメントの凍結と低温摩擦ピークの立ち上がり
が同時
低温摩擦ピークは緩和型で，その活性化エネルギーはMnCuス
ピングラスの磁気緩和に近い
メカニズム


強磁性磁気クラスターの磁歪による応答ひずみの遅れ
その緩和時間は，磁気モーメントが異方性エネルギーの山を熱
活性で乗り越える過程が決定している
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第3回TAMAシンポジウム
17
まとめ




M2052の内部摩擦と帯磁率を調べた
低温の摩擦はそのままの実用には不足
磁性と摩擦の関連を確認
Mn濃度を減らして活性化エネルギーを下げると
低温に有利
E
1
Tm   
k B ln  0
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18
今後に向けて

さらに詳しく調べる必要がある



厳密な議論の展開に向けて




物理的興味: スピングラス，ミクト磁性と摩擦の関連を調べた例
は稀
応用価値: メカニズムが低温で有利に働く可能性あり
磁気異方性を調べる
活性化エネルギーの一致をはっきりさせる
摩擦の磁場による効果を調べる
性能向上に向けて

組成，構造を単純化し，組成と制振性の関係を調べる
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第3回TAMAシンポジウム
19

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