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MnCuNiFe 合金の低温における 内部摩擦の研究

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. 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. Yin et al. J. Japan. Inst. Metals,

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MnCuNiFe 合金の低温における 内部摩擦の研究

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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 第3回TAMAシンポジウム

  3. 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 Yin et al. J. Japan. Inst. Metals, 65 (2001) 607. 第3回TAMAシンポジウム

  4. 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 第3回TAMAシンポジウム

  5. MnCu (≳ 70 at.% Mn)の物性: 内部摩擦 連携 マルテンサイト変態 (f.c.c. →　f.c.t.) 反強磁性転移 双晶の形成 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? 第3回TAMAシンポジウム

  6. 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) • 反強磁性・スピングラス 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　　　　 磁気クラスター の形成 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？ 第3回TAMAシンポジウム

  7. 内部摩擦，弾性率測定 @ KEK • 測定法: resonant-bar method • M2052板ばね（ x 5.0 mm x 0.50 mm, : 板ばね長） • 定常共振→減衰振動 • パラメータ • 内部摩擦: 対数減衰率δ • 弾性率: (共振周波数 f0)2 • 条件 • = 51.6, 37.5 mm • ひずみ振幅: 1.0 x 10-4 • 温度: 4.2 ～ 300 K 第3回TAMAシンポジウム

  8. 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 第3回TAMAシンポジウム

  9. 傾き 共振周波数，対数減衰率 包絡線 第3回TAMAシンポジウム

  10. 測定結果 • 160 K境に摩擦ピーク2つ →低温で新たなメカニズム • 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 • ヤング率のピーク 第3回TAMAシンポジウム

  11. 帯磁率測定 @ ISSP • 温度履歴 →磁気クラスターの存在 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） 第3回TAMAシンポジウム

  12. 解析: 帯磁率と摩擦 • 式 をフィッティング • 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 第3回TAMAシンポジウム

  13. 解析: 摩擦と緩和過程1 • 低温ピークに式 をフィッティング : ピーク温度 第3回TAMAシンポジウム

  14. 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） グラフの傾き →活性化エネルギー (3.2 ± 0.5) x 10-2 eV 第3回TAMAシンポジウム

  15. 解析: 摩擦と緩和過程2 • 式 が3つ重なり合っていると仮定して フィッティング（　= 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 第3回TAMAシンポジウム

  16. 活性化エネルギーの比較 →MnCuの磁気緩和に近い値 第3回TAMAシンポジウム

  17. 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 第3回TAMAシンポジウム

  18. 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 第3回TAMAシンポジウム

  19. 今後に向けて • さらに詳しく調べる必要がある • 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 • 厳密な議論の展開に向けて • 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 第3回TAMAシンポジウム

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