JP2005098811A - 微細試料の体積弾性率測定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 検体を余裕をもって収容する測定室6と、比較用容積室7と、両室に同位相で同一の容積変化を周期的に与えるための容積変化付与手段8a、8bと、前記測定室と比較用容積室の各室内の前記容積変化に伴って変化する圧力の差を検出するための差圧計15と、前記測定室と比較用容積室との間、及びこれら両室と外部空間との間の巨視的な圧力平衡を保持するための微細通気路17、21a、21bとを備えた容積測定系を構成し、外部空間が基準気圧の時の両室の差圧から検体の初期体積を、圧縮気圧の時の両室の差圧から検体の圧縮体積を、それぞれ導出することにより、検体の体積弾性率を算出するものである。
【選択図】図2
Description
前記測定室に検体を入れ、外部空間が基準気圧の状態と、基準気圧より高い圧縮気圧の状態のそれぞれにおいて前記両室に周期的な容積変化を与え、
基準気圧の時の両室の差圧から検体の初期体積を、圧縮気圧の時の両室の差圧から検体の圧縮体積を、それぞれ導出することにより、検体の体積弾性率を算出することを特徴とする微細試料の体積弾性率測定方法である。
各室に共通するPVnポリトロープ変化の微分式における容積増分dVと圧力増分dPを、前記容積変化ΔV、及びそれに伴う圧力変化ΔP1、ΔP2、及びΔP1’、ΔP2’にそれぞれ置換することにより、両時の差圧近似式
・ ΔP1−ΔP2=nPΔV(1/Vx−1/V2) ・ ・・・(1)
・ ΔP1’−ΔP2’=nP’ΔV(1/Vx’−1/V2)・・・(2)
を得て、基準気圧下に置かれた前記容積計内の容積Vxに対応する検体の初期体積Xと、圧縮気圧下に置かれた前記容積計内の容積Vx’に対応する検体の圧縮体積X’を求めるものである。
・ P1V1n=Const ・・・(3)
この両辺を時間で微分すると、
・ P1nV1n−1dV1+dP1V1n=0 ・・・(4)
より、この微分式(1)中の容積増分dV1及び圧力増分dP1を容積変化ΔV1=ΔV及び対応する圧力変化ΔP1と置換すれば、測定室の圧力瞬時値P1の分解能もΔV生成周期当たりとなり、〔P1〕=Pが適用されることになる。従って、圧力変化式は
・ ΔP1=−nPΔV/V1 ・・・(5)
が得られ、同様に比較用容積室についてもΔV2=ΔVであるから、
・ ΔP2=−nPΔV/V2 ・・・(6)
が得られ、測定室(試料受け入れ部11’)に試料を入れない状態では
・ ΔP1−ΔP2=nPΔV(1/V1−1/V2) ・・・(7)
として表現される。
・ ΔP1−ΔP2=nPΔV〔1/(V1−X)−1/V2〕
・ =nPΔV(1/Vx−1/V2) ・・・(1)
前述の通り、上式(1)で、〔P1〕=〔P2〕=Pを採用し得た理由は、測定室6と比較用容積室7との間の空気抵抗が、十分長い時定数(約1分以内)で両室の圧力を平衡させる程度の大きさだからであるが、このような空気流通関係は、各室6、7と容積計の外部空間との間にも成立し、このPには容積計の既知又は設定値としての容積計外部圧力を用いることができる。これによって差圧ΔP1−ΔP2を測定すれば、式(1)の右辺は容積Vx以外のすべてが既知の定数となるため、このVx、従って試料体積Xを容易に求めることができる。
・ ΔP1−ΔP2=nPΔV〔1/(V−X)−1/V〕 ・・・(8)
この右辺を通分して、
・ ΔP1−ΔP2=nPΔV〔(V−V+X)/V(V−X)〕
・ =〔nPΔV/(V−X)〕X
・ =〔nPΔV(V+X)/(V2−X2)〕X・・・(9)
分母の微小体積の二乗X2はV2に対して無視できるため、
・ ΔP1−ΔP2=〔nPΔV(V+X)/V2〕X
・ =nPΔV(X/V+X2/V2) ・・(10)
同じく、右辺第2項を無視して
・ ΔP1−ΔP2=(nPΔV/V)X ・・・(11)
として試料体積Xを容易に求めることができる。
・ X=V1−Vx ・・・(12)
として、又は簡単に式(11)のΔP1−ΔP2=(nPΔV/V)Xより、基準圧力P(例えば、大気圧)における検体の体積Xが得られる。
・ X’=V1−Vx’ ・・・(13)
これらの試料体積X及びX’の値から、体積歪みεv及び体積弾性率Kは、
・ εv=(X−X’)/X ・・・(14)
及び
・ K=P/εv ・・・(15)
として算出することができる。
・ Ys=aX+b ・・・(12)
高圧を加えたときの一般式を、
・ Ys’=a’X’+b’ ・・・(13)
として表せることを示している。実際に数値計算法を用いて算出された一次直線の式は、
A(基準圧:大気圧)で、Ys=4.0518X+486.84〔mV〕、
B(50kPa)で、Ys’=2.0413X’+238.88〔mV〕、
C(100kPa)で、Ys’=1.3317X’+147.13〔mV〕となった。グラフ作成において、Ys、Ys’とX、X’との直線関係の精度を示す寄与率R2は、それぞれ0.9852、0.975及び0.981であり、いずれも高精度であることが明らかである。
・ 表1
・ 試料の種類 体積V ヤング率E 体積弾性率Kk
・ 〔mm3 〕 〔kPa〕 〔kPa〕
・ 鋼球 4.19 200×106 極高値(約170×106)
・シリコーンゴム 11.5 80 670*
*ただし、K=E/3(1−2ν)であり、ポアソン比ν=0.48とする。
次に、表2として差圧計のFFT処理出力を校正用の回帰直線に当てはめて得られた測定結果を示す。
・ 表2
・ 圧力P 差圧計のFFT処理出力 体積(計算値)
・ 〔kPa〕 〔mV〕/76Hz−152Hz 〔mm3〕
・ 0 529.431 10.5(−1.0*)
・ 100 159.084 8.98
*実体積との誤差が−1.0であることを示す。
K=P/εν=100/〔(10.5−8.98)/10.5〕=690〔kPa〕
この値は、表1に掲げた既知物性値の一つとしての既知体積弾性率K=670に対して+約3%足らずの誤差を生じたのみであり、しかも、このKが同一のシリコン粒に対する絶対的な真値とも言えないことから、ほぼ正確な値が得られたものと解することができる。
2 筐体
3 モータ
4 天板
5 隔壁カップ
6 測定室
7 比較用容積室
8a、8b ピストン
9、9’ カム軸孔
10 ピストン駆動カム
11 中心開口
11’ 試料受け入れ部
12 キャップ
13 チャンネル
14 弦壁
15 差圧計
16 検知導通管
17 微細管路
18 ピストン戻しバネ
19 電源
20 FFTアナライザ
21a,21b 微細管路
22 圧力容器
Claims (4)
- 検体を余裕をもって収容する測定室と、比較用容積室と、両室に同位相で同一の容積変化を周期的に与えるための容積変化付与手段と、前記測定室と比較用容積室の各室内の前記容積変化に伴って変化する圧力の差を検出するための差圧計と、前記測定室と比較用容積室との間、及びこれら両室と外部空間との間の巨視的な圧力平衡を保持するための微細通気路とを備えた容積測定系を構成し、
前記測定室に検体を入れ、外部空間が基準気圧の状態と、基準気圧より高い圧縮気圧の状態のそれぞれにおいて前記両室に周期的な容積変化を与え、
基準気圧の時の両室の差圧から検体の初期体積を、圧縮気圧の時の両室の差圧から検体の圧縮体積を、それぞれ導出することにより、検体の体積弾性率を算出することを特徴とする微細試料の体積弾性率測定方法。 - 測定室の容積をV1、収容した検体の初期体積をX、その検体分を除く測定室中の容積をVx、比較用容積室の容積をV2、両室に与える同位相で同一の容積変化をΔV、前記基準気圧下における前記測定室と比較用容積室の各室内の圧力P1、P2の変化をΔP1、ΔP2、同P1、P2の平均値を〔P1〕=〔P2〕=P、前記圧縮気圧下における前記測定室と比較用容積室の各室内の圧力P1’、P2’の変化をΔP1’、ΔP2’、同P1’、P2’の平均値を〔P1’〕=〔P2’〕=P’とし、
各室に共通するPVnポリトロープ変化の微分式における容積増分dVと圧力増分dPを、前記容積変化ΔV、及びそれに伴う圧力変化ΔP1、ΔP2、及びΔP1’、ΔP2’にそれぞれ置換し、両時の差圧近似式
・ ΔP1−ΔP2=nPΔV(1/Vx−1/V2) ・ ・・・(1)
・ ΔP1’−ΔP2’=nP’ΔV(1/Vx’−1/V2)・・・(2)
を得て、基準気圧下に置かれた前記容積計内の容積Vxに対応する検体の初期体積Xと、圧縮気圧下に置かれた前記容積計内の容積Vx’に対応する検体の圧縮体積X’を求めることを特徴とする請求項1に記載の体積弾性率測定方法。 - 前記基準気圧が、大気圧からなることを特徴とする請求項1又は2に記載の体積弾性率測定方法。
- 前記容積変化付与手段が、前記測定室と比較用容積室に出入する一対のピストンからなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の体積弾性率測定方法。
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