技術発表(2)マテリアル工学実験支援

佐藤英男，武田 誠，黒崎 亘

平成 22 年度 技術部研修会

マテリアル工学実験支援佐藤 英男

武田Hideo

Makoto Takeda

Sato誠黒崎亘

Wataru Kurosaki

マテリアル工学科では、マテリアル工学実験Ⅰ、Ⅱ、Ⅲを開講している。われわれは、この中でマテリアル工学実験ⅡおよびⅢにおける５テ－マの支援を行っている。昨年度までは、マテリアル工学実験Ⅰについても２テ－マの支援を行っていたが、新カリキュラム編成で今年度から「ものづくり工房」での実習に移行した。これらについては、今回報告しない。
現在、マテリアル工学科では、専門科目シラバスに示す授業計画の下、教授 6 名、准教授 2 名、講師 3 名、技術部職員 3 名のスタッフによりマテリアル工学実験Ⅱ、Ⅲ（各 12 テ－マ）を実施している。以下に支援テ－マを示す。
表. 支援実験テ－マと対象年次
マテリアル工学実験Ⅰ
2 年次（前期・水曜日）・平 22 年度より、カリキュラム変更により分担がなくなる。
（電池特性 【横田・武田】、放電加工 【鈴木・佐藤】）マテリアル工学実験Ⅱ
3 年次（前期・木曜日）・引張試験 【友田・佐藤】
・Al-Si二元合金状態図 【榎本・武田】マテリアル工学実験Ⅲ ・セラミックスのインピｰダンス測定 【小桧山・佐藤】
3 年次（後期・木曜日）・振動反応（B-Z反応） 【鈴木・武田】・ダイオ－ド・トランジスタの回路特性【大貫・篠嶋・永野・黒崎】
8～10 人／班・7 週
１）
引張試験
材料の力学的挙動を端的明瞭に示す基本的な特性である「応力－ひずみ曲線」を求め、材料の機械的性質に関して理解を深める。

引張試験機

２）
Al-Si 二元合金状態図
Si 濃度未知の Al-Si 合金の冷却曲線から、状態図を用い Si 濃度を決定する。このとき、亜共晶および過共晶域の判断は、組織観察および硬度(Hv)からおこなう。

1

15001414℃

温度 （℃）

1100

L（液相）

β＋L
初晶温度

660.4℃

700
１２．６3000Al

共晶温度

TL577℃

αTE

βα＋β９９ ８３

１．６５50（Wt%)

100 0Si603090時 間(min)図．Al-Si二元合金状態図と冷却曲線

図.熱分析装置３）
セラミックのインピーダンス測定
セラミック（固体電解質ジルコニア、3 種）を 300℃および 600℃の温度でインピーダ
ンス|Z|および角度θを測定し、ボード図および複素平面図 Cole-Cole 図を描き、ジルコニアインピーダンス特性を考察する。

４）振動反応（B-Z 反応）
典型的な Belousov-Zhabotinskii 反応として、マロン酸〔CH2(COOH)2〕と臭素酸カリウム（KBrO3）を含むリン酸性溶液に硫酸マンガン(MnSO4・6H2O)を加える反応を取り上げこの反応を通して、反応速度と温度の関係について検討する。
アレニュウスプロットにより見かけの活性化エネルギ－を求める。

ｋ＝Ae－E/RT
５）
ダイオ－ド・トランジスタの回路特性
マテリアル実験Ⅱ「半導体の電圧電流特性」で理解したダイオードとしての半導体特性を、物質の種類での変化ではなく、基本的な回路の学習を行うことによって、トランジスタの特性を測定から確認する。
１週目 ・ダイオードの動作原理
・トランジスタの動作原理
・固定バイアスアンプの回路図
２週目

2・固定バイアス電流のベース電流測定
・固定バイアス電流のコレクタ電流測定
・増幅作用学生実験と対応科目

マテリアル工学実験支援

教員スタッフ

教授

6名

准教授 2名工学部 技術部講師

3名

計 11名

佐藤 英男 総括技術長
武田 誠 安全管理部門
黒崎 亘 ものつくり部門

2010 Technical Service
平成22年度 技術部研修会

2010 Technical Service

引張試験

支援実験テ－マ

実験担当

教授・TA・技術職員で指導

マテリアル工学実験Ⅰ
2年次（前期・水曜日）

・平22年度より、カリキュラム変更により分担がなくなる。

目的では
応力-ひずみ曲線は、材料の力学的挙動を端的明瞭に示す基本的な特性である。この曲線を求める実験室的方法を体験して、材料の機械的性質に関して理解を深める、さらに講義内容などを参考に、考察に加える課題を自分で考えて、記載する。

マテリアル工学実験Ⅱ3年次（前期・木曜日）

・引張試験 【友田・佐藤】
・Al-Si二元合金状態図 【榎本・武田】

実験・解析方法では①材料および試験片の準備方法②試験機と測定方法③データの解析マテリアル工学実験Ⅲ
3年次（後期・木曜日）

・セラミックスのインピｰダンス測定 【小桧山・佐藤】・振動反応（B-Z反応） 【鈴木・武田】・ダイオ－ド･トランジスタの回路特性【大貫･篠嶋･永野･黒崎】
8～10人/班 7週
2010 Technical Service

実験結果では①応力-ひずみ曲線（公称および真）②JISに準じた材料特性値一覧表を示す。
考察①実験結果の精度②得られた実験結果は文献のデータと比べてどうであるか
材料間の相違は何によるものと考えるか③自分で考えた課題の考察
2010 Technical Service

材料の種類｛4種類｝
真鍮
鉄（Brasｓ）（Iron ）試験片の切り出し・寸法

アルミニュウム（Aluminums）

銅（Copper）

アルミニュウム
真鍮
銅（Copper） （Aluminums） （Brasｓ）鉄（Iron ）寸法｛長さ54.5mm、平行部26.00mm、幅2.46mm｝

ノギス・マイクロメータ・読取り顕微鏡｛ワイヤー放電加工機HS-300で加工｝
2010 Technical Service

ガス研磨板・研磨紙・バイス・ケガキ棒・洗浄用アルコール・キムワイプ等
2010 Technical Service1

試験片の取付方法（軸説明）
引張条件
CHS １０mm/min
CS ２００mm/min
RANGE ２０％

1TONロードセル側

写真発表¥Canon大¥MVI_1192.MOV

移動クロスヘッド側

2010 Technical Service

2010 Technical Service

コンピュータ制御・・・今後使用予定

レポートの提出は教員に提出。
レポートの提出は教員に提出。

2010 Technical Service

2010 Technical Service

Al-Si二元合金状態図

1414℃

1100
温度（℃）

• 冷却曲線を求めてSi濃度を求める。（電気炉）
Al, Al - ?％Si

1500

L（液相）

β＋L
初晶温度

660.4℃

700

TL１２．６• 組織を観察する。（金属顕微鏡）
亜共晶試料 過共晶試料

300• 硬さ（Hv）を測定する。（マイクロビッカ－ス硬度計）
Al, Si, 共晶組織, β固溶体
2010 Technical Service0Alα

共晶温度TE577℃

βα＋β９９．８３

１．６５50（Wt%)

100 0Si306090
時 間(min)

図．Al-Si二元合金状態図と冷却曲線

2010 Technical Service2

1500

1500

1414℃

1100
初晶温度
660.4℃

TL

700

577℃

TE１２．６300

共晶温度

温度（℃）

温度（℃）

1100

1414℃

660.4℃

700

α９９．８３α＋β300１．６５0Al

100 0Si50（Wt%)

577℃
１２．６

ββα0Al306090時 間(min)図．Al-Si二元合金状態図と冷却曲線

９９．８３

α＋β１．６５100Si50（Wt%)

2010 Technical Service振動反応（B-Z反応）
・ 振動反応を通して、反応速度と温度の関係について検討する。
・ 反応速度（V） 振動の周期（ω）
Ｖ は1/ωで決定される。
・ アレニュウスプロットにより見かけの活性化
エネルギ－を求める。
ｋ＝Ae-E/RT

2010 Technical Service• BrO3 － + CH2(COOH)2 + 4Mn2+ + 5H+ →BrCH(COOH)2 + 4Mn3+ + 3H2O
(1)
• BrCH(COOH)2 + 4Mn3+ + 2H2O → Br － + 4Mn2+ +HCOOH + 2CO2 + 5H+(2)• 2 Br － + BrO3 － + 3CH2(COOH)2 + 3 H+ →BrCH(COOH)2 + 3H2O
(3)
• CH2(COOH)2 + 6Mn3+ + 2H2O → HCOOH + 2CO2 +6Mn2+ + 6 H+(4)全反応• 3BrO3 － + 5CH2(COOH)2 + 3 H+ → 3BrCH(COOH)2 +2HCOOH + 4CO2 + 5H2O

2010 Technical Service

H2O

CO2CH2(COOH)2ビッカｰス硬度計

図．Al-Si二元合金状態図と冷却曲線

2010 Technical Service

Mn3+

Mn２+

Mn3+

紅色

無色

紅色

硫酸マンガン0.024M/L
硫酸マンガン0.024M/L
マロン酸
0.6M/L
臭素酸カリウム0.3M/L
臭素酸カリウム
0.3M/L

ωH+

HCOOH
4Mn2＋
HCOOH
Mn3+
Br－

BrO3 －2

BrCH(COOH)2
1

H2O

CO2H+

3CH2(COOH)2

log 1/ω
1/ω

CH2(COOH)2BrCH(COOH)2

BrO3 －H+H2O

自己触媒過程撹拌加熱

振動反応の模式図

1/T K-1
2010 Technical Service

2010 Technical Service

3マテリアル工学科に対する技術部の教育・研究支援
H2O

CO2CH2(COOH)2

旧カリキュラム（平成旧カリキュラム（平成2121年度入学者まで）年度入学者まで）

H+

HCOOH
4Mn2＋
HCOOH
Mn3+
Br－

CH2(COOH)2

BrO3 －2

BrCH(COOH)2
1

H2O

CO2H+

3CH2(COOH)2BrCH(COOH)2

BrO3 －H+H2O

1. マテリアル実験Ⅰ
マテリアル実験Ⅰ
ものづくり教育研究支援ラボ職員：4
ものづくり教育研究支援ラボ職員：
4名
2. マテリアル実験
マテリアル実験Ⅱ
Ⅱ
技術部職員：22名
技術部職員：
3. 卒業論文および修士論文研究支援
4. マテリアル実験
マテリアル実験Ⅲ
Ⅲ
技術部職員：33名
技術部職員：

マテリアルデザイン実習風景

自己触媒過程振動反応の模式図

2010 Technical Serviceマテリアル工学科に対する技術部の教育・研究支援
新カリキュラム（平成新カリキュラム（平成2222年度入学者より）年度入学者より）
1. 卒業論文および修士論文研究支援
2. マテリアルデザイン実習
ものづくり教育研究支援ラボ職員：44名
ものづくり教育研究支援ラボ職員：
3. マテリアル実験
技術部職員：３名

マテリアルデザイン実習風景
ご静聴ありがとうございました。

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