氷結晶層の変形特性とその利用技術

(a)単結晶氷と多結晶氷の応力とひずみの関係

第５回サイエンスコラム（氷粒子とドライアイス粒子の粘弾性とその利用技術）において、氷球を落下させて床に衝突させると氷球は弾むことを説明しました。このように氷球に衝撃力を与えると弾性的性質が現れることになります。

ここでは、単結晶氷円柱に引張応力を加えた場合に、引張応力と歪(ひずみ)の関係から単結晶氷円柱の変形挙動について説明します。図１に示す単結晶氷円柱（長さ50mm×直径10mm）は、氷結晶のc軸と円柱軸とのなす角が45°となるように円柱状に切り出したもので、引張荷重を円柱軸方向に加えることで、45°の面が破断面となるようにしています。通常、強度の弱い材料は、引張や圧縮荷重方向と45°の傾斜面に最大応力がかかり、45°の傾斜面に沿って破断が起こります。

図1 単結晶氷円柱のc軸方向と引張方向

図２(a)は一例として、炭素鋼の引張応力と歪の関係を示しました²⁾。図２(b)は、図１に示す氷円柱の配置で引張応力と歪に関して歪速度（単位：1/s）をパラメータとして測定結果を示したものです³⁾。ここでの歪は、初期状態における氷円柱の長さ（50mm）当たりにどれだけ氷が変位するかを示す無次元量です。なお、この試験での歪速度は小さな値で行っています。図２の試験結果から、まず応力の増加とともに歪も増加する弾性域を経て、極大降伏応力に達した後には、歪の増加に対して応力は急に減少する特異な性質を示します。また、歪速度の増加とともに極大降伏応力は増大する傾向となります。（応力や歪速度については第5回でも解説されています。必要に応じてご覧ください。）

金属材料などの引張試験では、まず引張応力の増加とともに歪の関係が直線的となる弾性域（応力を除くと歪はなくなります）そして極大降伏応力後、加えた応力を少し減少することで歪が増加する塑性域（応力を除いても歪は存在します）が現れます。一方、氷結晶の場合は、衝撃力などの歪速度が極端に大きな場合は、弾性的性質を示しますが、図２に示すような小さな歪速度では、後述する氷の転位（Dislocation）現象（氷結晶のズレや歪）が現れて、小さな応力で転位が移動することで、せん断面の滑りが起こります。この場合、応力を除いても元に戻ることはない塑性変形が起こり、最終的に破断することになります。すなわち、氷の塑性変形は、小さな応力で起こることになります。

一方、多結晶氷柱の引張試験における歪の経時変化を図３に示してあります。多結晶氷は、図4のように単結晶氷が多数集まってできた複雑な構造となります。このような構造を有する多結晶氷に引張応力が加わると、まず短時間の間に弾性変形を示し、その後歪の増加率は時間の経過とともにゆっくりと減少する粘弾性的性質（遅延弾性）を示します。次に、歪速度が一定で推移する塑性変形（定常クリープ）となります。ここで、引張応力を取り除くと、最初に示した弾性歪が元に戻り、その後ゆっくりとした遅延弾性領域が現れ、最終的には塑性変形による永久歪が残ることになります。多結晶氷に力が加わると、各単結晶氷粒内部では転位が起こり、後述の氷河流動などの原因となる底面滑りが発生します。この多結晶氷の定常クリープ変形中の塑性的性質は、単結晶氷粒の大きさや氷結晶軸の向きなどの氷結晶構造に依存することになります。

図3 多結晶氷に引張応力を加えた場合の歪の経時変化

図4 多結晶氷の構造

(b)氷結晶の転位と塑性変形

通常の氷結晶においては、構成する分子は完全に規則正しく配列されておらず、水分子の存在すべき格子点に分子が存在しない空孔と正規の格子点でないところに分子が入り込んでいる格子間分子のような点欠陥が存在します。氷結晶にせん断応力が加わると、点欠陥に応力が集中し、その結果分子が連続的に移動する転位が起こります。氷結晶の塑性変形は、転位がある特定の滑り面上において特定の滑り方向へ移動するせん断変形と理解できます。この転位現象には、刃状転位（Edge dislocation）とらせん転位（Screw dislocation）の二種類があります。まず、刃状転位の概要を図５に示します。氷結晶にせん断応力を加えると図5左に示すように刃状転位線が転位方向に移動して氷結晶のずれを生じ、最終的に右図のような氷結晶に滑り変形（塑性変形）が起こります。刃状転位は、⊥の記号で示され、縦の棒は余剰半面（余分な分子）を示し、横の棒は滑り面を示します。図６は、せん断応力を加えた場合に、刃状転位が移動する様子と分子配列の変化の概要を示したものです。⊥の記号で示す刃状転位に応力が集中し、刃状転位の転位線（上部結晶の余剰半面）が右に動いていく様子が分かります。上部結晶の余剰半面の分子は下部結晶の分子と結合しており、転位の右側への移動に伴って右隣下部の結合分子との結合に変化することになります。移動した転位が結晶の右表面に到達すると、図5右に示すように１結晶格子分の段差（変位）が生じることになります。このような転位現象により、氷結晶の塑性変形（定常クリープ）が起こることになります⁴⁾。

図5 刃状転位の概要

図6 刃状転位が移動する様子と分子配列の変化の概要

次に、らせん転位の概要を図７に示します。せん断応力を加えることで転位方向（せん断応力方向と垂直な方向）に向かってらせん転位が進行する様子が分かります。らせん転位の起点から１結晶格子分のずれが転位方向に進行するようになります。最終的に、右側の図に示すように１結晶格子分の滑り変形量の段差が生じることになります。

図7 らせん転位の概要

氷結晶格子に起こる多くの転位は、純粋な刃状転位やらせん転位成分を持つわけでなく、両方の性質をもった混合転位（Mixed dislocation）であることが多いようです。

(c)氷角柱の圧縮および引張による破断

ここでは、多結晶からなる氷角柱に圧縮および引張応力を加えた場合の氷の破壊強度に関して紹介します。
多結晶氷角柱試験における氷角柱の結晶方向（a軸とc軸）そして圧縮と引張り方向を図8に示しています。

図8 氷角柱の結晶方向と印圧方向

試験は市販の透明多結晶氷から切り出した氷角柱を図８に示すようにc軸に直角な圧縮応力を加えた場合の破壊強度を温度の関係で示したものが図９です。ここでの破壊強度は、前掲の図３に示す塑性域を経て氷角柱が破壊する応力値を意味します。なお、圧縮応力の印加速度は5×10³kPa/sとしています。図10は、透明多結晶氷のc軸に平行な引張応力を印加した場合の破壊強度と温度の関係を示したものです。図９に示す圧縮応力の印加に比べて、引張応力の場合は破壊応力が小さく、その温度依存性は、-40℃以下で大きくなる傾向となります⁵⁾。なお、図10における氷角柱の引張応力による破断応力は、前掲の図２における氷円柱の破断応力よりも大きくなっています。この理由として引張応力方向と結晶軸（c軸）に対する方向の違いや単結晶氷と多結晶氷の違いなどの影響が考えられます。

(d)氷河の流動機構

氷河は寒冷地域の渓谷や傾斜した地形に、多年にわたって雪や氷が堆積し、その重みによる圧縮圧力により形成された多段な氷層の集合体と言えます。南極の氷河は、年間250m程度も移動していると、米国航空宇宙局（NASA）が報告しています。さらに、傾斜した岩盤上の氷河は、1日当たり3mから6mも移動するようです。
図11は、岩盤上にある氷河の移動状態を模式的に示したものです。氷河底層領域の氷層は、上部にある氷層の重みによる大きな圧力により、塑性変形（定常クリープ）しながら移動することになります。この塑性変形による氷層の移動は、前述のような氷結晶格子の欠陥による転位に基づくもので、氷層の移動に伴い転位密度も増加して移動速度も大きくなります。さらに、氷河の移動には、岩盤と氷層の接触界面における摩擦係数に依存する底面滑りも関係します。また、周囲温度が0℃近辺の状態では、加圧状態にある底面の氷は圧力融解による水膜の形成で、さらに氷層と岩盤の滑りが助長される場合もあります。

図11 氷河の移動機構