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摘要

本論文は，ジュール熱を用いて金属極細線と金属薄膜とを溶接することにはじめて成功すると共に，その溶接条件を定量的に記述することに成功したものである.金属マイクロ/ナノ細線を活用して材料システムを構築し，新たな機能を創出するためには，当該微細材料に対する様々な加工技術の拡充が不可欠である.中でも溶接の必要性は高く，電子ビームやレーザビームを用いる手法など，研究が進められている.著者らはこれまでに，細線の先端同士の接触部に一定直流電流を付与して生じるジュール熱により，当該接触部で溶融とそれに続く凝固が連続して生じることを見出し，この現象を利用して細線同士を安定的に溶接する手法を実現している.また，細線接触部の溶融現象と，線形破壊力学におけるき裂進展現象との類似性より見出したパラメータを用いて溶接条件を記述することに成功している.これによりこれまで細線の先端同士，あるいは細線の先端と側面とをジュール熱を用いて高確度に溶接することを可能にしてきたが，より高度な材料システムの構築のためには，例えば細線と基板との溶接など，溶接対象の次元の拡張が不可欠であった.本論文では，金属極細線と金属薄膜とのジュール熱溶接をはじめて実現したものである.また当該溶接条件が薄膜に依存せず，細線のみで決定される臨界膜厚を解析的に算出すると共に，その解の妥当性を実験により実証したものである.具体的には，金属極細線と金属薄膜との接触部近傍の熱伝導問題を取り扱い，電流付与下において接触部が融点に達した際でも薄膜裏面の温度が不変となる臨界膜厚を理論的に算出した上で，この臨界膜厚以上の薄膜と細線との溶接条件は薄膜に依存せず，細線の幾何学的寸法と物性値のみで決まることを見出した.さらに直径0.8μmの白金細線と白金薄膜とのジュール熱溶接を走査型電子顕微鏡内で実施し，当該細線と異なる膜厚の薄膜との溶接に成功すると共に，薄膜の厚さが2μm以上の場合は溶接条件が膜厚に因らないことを確認した.この膜厚は解析的に算出した臨界膜厚と同程度であり，これにより細線と基板との溶接条件を臨界膜厚で場合分けして定量的に記述することが可能となった.以上の成果はジュール熱を活用した微細材料の溶接手法の適用範囲を「線と線」の次元から，「線と面」の次元へと拡張したものであり，当該溶接手法の汎用性を大いに向上した成果である.
机译：该论文是第一个成功利用焦耳热焊接超细金属丝和金属薄膜的方法，并且定量地描述了焊接条件。为了构造材料系统并创造新的功能，必须扩展用于精细材料的各种加工技术，最重要的是，焊接的需求很高，并且使用诸如电子束或激光束的方法。到目前为止，由于通过向细线的尖端之间的接触区域施加恒定的直流电流而产生的焦耳热，作者已经能够在接触区域引起连续熔化和随后的凝固。我们已经发现了一种利用这种现象使细线彼此稳定焊接的方法，此外，从细线接触部分的熔化现象与线性断裂力学中的裂纹扩展现象之间的相似性中找到了参数。通过使用该方法，我们成功地描述了焊接条件，从而可以用焦耳热高精度地焊接细丝的尖端或细丝的尖端和侧面。为了构建更先进的材料系统，必不可少的是扩展焊接靶材的尺寸，例如细焊丝和基材的焊接。另外，焊接条件不依赖于薄膜，仅计算由细焊丝确定的临界膜厚度，并且通过实验验证了溶液的有效性。处理超细金属线与金属薄膜之间的接触附近的导热问题，并从理论上计算出即使在施加电流的情况下接触温度达到熔点时，薄膜背面温度不变的临界膜厚。已经发现，厚度大于该临界厚度的细线和细线的焊接条件不取决于薄膜，并且仅由细线的几何尺寸和物理性质决定。我们在扫描电子显微镜中对薄膜进行了焦耳热焊接，成功焊接了厚度与细丝不同的薄膜，如果薄膜的厚度为2μm以上，则焊接条件取决于薄膜的厚度。该膜厚几乎与分析计算出的临界膜厚相同，这使得可以通过将细线与基材之间的焊接条件除以临界膜厚来定量描述焊接条件。以上结果将焦耳热对精细材料的焊接方法的适用范围从“线对线”的尺寸扩展到“线对面”的尺寸。这是多功能性大大提高的结果。

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  • 来源
    《日本機械学会誌》 |2016年第1170期|255-262|共8页
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