1回の測定で2つの信号：STA 509を用いた鉄のcp値の測定とキュリー検出 Jupiter

はじめに

純鉄は、材料科学において基準物質や試験材料として頻繁に使用されています。そのよく知られた熱物性および冶金学的特性により、測定方法の検証や、微細構造、磁性、熱的挙動の相関関係の解明に適しています。

温度依存性の比熱容量（_{比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp}）に加え、キュリー温度における強磁性-常磁性転移も特に注目されています。この転移は鉄の熱物理的挙動に影響を及ぼし、比熱曲線において特徴的な効果として現れます。

STA 509 Jupiter^® は、DSC-TGA法により熱信号と重量変化信号を同時に取得します。磁気測定装置と組み合わせることで、1回の測定で純鉄のキュリー転移をTGA信号から明確に検出し、_{比熱容量（比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp）を}正確に測定することが可能になります。

キュリー検出に使用される磁気装置を備えたSTA加熱炉の接写写真です。 — 磁気装置を備えたSTA加熱炉

実験および測定条件

測定は、STA 509（Jupiter^® ）を用いて、アルゴン雰囲気下で鉄試料に対して行われました。比熱容量（_{比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp）}はDSC評価によって決定され、その間、TGA信号が並行して記録されました。キュリー転移を検出するために、磁気測定装置が使用されました。

表1：STA測定パラメータ

パラメータ	条件
装置	STA 509 `Jupiter^®`
測定ヘッド	S型 TGA/DSC
加熱炉	ロジウム
容器	蓋付きPt/Rh容器（_Al2O3ライナー付き）
雰囲気	`OTS^®` を含むAr、70 ml/min
温度プログラム	25°Cで10分間等温保持動的セグメント：室温から1050°Cまで10 K/minで昇温 1050°Cで10分間の等温保持
試料質量	121.871 mg
校正標準物質	サファイア、55.203 mg

比熱容量の評価

比熱容量（_{比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp}）は、例えばDIN EN ISO 11357に記載されているように、参照物質を用いた比較法によって決定されます。評価には、ベースライン、標準物質、および試料の3つの別々の測定が必要です。

再現性のあるベースライン測定およびサファイア測定は、その後の計算の基礎となるため、不可欠です。これらのデータセットから、対象材料の温度依存性_{を持つ比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp}値が得られます。この結果は、材料特性評価の基礎となり、さらなる熱物理計算の入力パラメータとして利用することができます。

c_{p} = \frac{signal difference (sample - baseline)}{sample mass \cdot heating rate \cdot sensitivity}

同時に、磁気測定装置を用いて測定が行われます。TGA信号とDSC信号を組み合わせることで、磁気転移を特に明確かつ確かな根拠に基づいて検出することができます。

青色は純鉄の温度依存性cp曲線、赤色は文献値のcp値、緑色はキュリー転移およびα鉄からγ鉄への相転移を示すTGA曲線です。 — 温度依存_性のcp曲線（青）、文献記載の_cp値[1]（赤）、TGA曲線（緑）。

結果と考察

純鉄の比熱容量（_cp）の測定値は、当初、予想通り連続的に増加する傾向を示しました。約700°Cまでは、実験値は文献データと非常に良く一致しています。これは、_cp測定の精度の高さと、金属材料の熱物理測定におけるSTA 509 Jupiter^® の適性を裏付けるものです。

キュリー転移の範囲において、_cp曲線は、鉄の強磁性-常磁性転移に起因するとされる特徴的な挙動を示します。ピーク温度は約771°Cです。さらに、918°Cでは、別の相転移現象である固体状態でのα-Fe → γ-Fe転移が確認できます。この2次相転移により、比熱曲線に顕著な変化が生じ、転移温度の測定が可能となります。

TGAによる独立したキュリー検出

TGA曲線は、磁気測定装置を用いて_cp測定と同時に記録されました。強磁性状態では、純鉄は印加された磁場と相互作用します。キュリー温度に達すると、鉄は常磁性状態に移行し、試料に作用する磁気誘起力が急激に変化します。その結果、TGA曲線には見かけ上の質量増加が示されます。

この信号は、実際の質量変化によるものではありません。キュリー温度以下では、試料は磁石に引き寄せられます。キュリー温度以上では、鉄は強磁性特性を失い、試料に作用していた追加の力がなくなるため、TGA信号の変化として検出されます。

この特徴的なTGA信号の温度は、_cp曲線におけるキュリー転移と非常に良好な相関を示します。したがって、この磁気測定装置は、磁気相転移を独立して確認する手段となります。磁場がない場合、試料は不活性雰囲気下の気密システム内で測定されるため、酸化に関連するプロセスやその他の質量変化プロセスが排除されており、調査対象の温度範囲において有意な質量変化は予想されません。

主な測定結果

_cp信号とTGA信号を併せて用いることで、純鉄における磁気的および構造的変化を確実に解釈することができます。

文献に関する合意

測定された_cpデータは、約700°Cまで、文献値と非常に良く一致しています。

キュリー変換

_cpおよびTGA信号において、約771°Cで強磁性-常磁性転移が検出されました。

固相転移

α-Fe → γ-Feの相転移は、918°Cにおいて顕著な_cp効果として観測されます。

結論

鉄を用いた調査により、STA 509 Jupiter^® が比熱容量（_cp）を確実かつ正確に測定できることが実証されました。測定された_{比熱容量（cp）}値は、文献データと非常に良く一致しています。さらに、キュリー転移は、_比熱容量曲線において、また磁気測定装置を用いたTGA曲線においても同時に検出されます。

キュリー温度におけるTGA信号の特徴的な上昇は、比熱曲線における相転移効果と密接に相関しています。この一致により、2つの独立した信号レベルで磁気転移が可視化され、解釈に対する信頼性がさらに高まります。

材料特性評価において、適切な測定セットアップを用いることで、1回の実験で熱的効果と磁気的に誘起される効果の両方を調査することが可能になります。これは、鉄系材料や磁気転移の解析において特に重要です。