法医学材料工学

故障解析のプロセスを通じて調査および特徴付けられることが多い、さまざまな種類の欠陥が、犯罪や事故に関与して何らかの故障を引き起こす可能性があります。たとえば、消費者向けに設計された製品には、一次欠陥と二次欠陥が発生する可能性があります。^{[ 1 ]}

欠陥は使用前に存在する可能性があり、一次欠陥として存在する場合もあれば、使用中に発生する場合もあります。さらに、一次欠陥は時間の経過とともに二次欠陥に変化することもあります。^{[ 1 ]}法医学材料エンジニアは、シナリオを調査し、関連する欠陥と、それらが犯罪や事故の原因となる可能性を特定することに関与しています。

法医学材料工学の重要な側面は、故障の原因を二元的すぎる方法で定義することを避けることです（つまり、犯罪や事故に関係する特定のコンポーネントが欠陥があったか、使用者によって乱用されたかを問うことで問題を狭く枠付けすること）。^{[ 2 ]}原因を特定すると、必然的にフォールトツリー図の作成を通じて、故障に寄与する可能性のある要因をできるだけ多く特定することになります（右の図を参照）。考えられる原因が作成された後、調査が計画され、証拠が収集され、考えられる要因のうちどれが故障の原因である可能性が高いかが判断されます。可能性のある原因の中には、物理​​的、人的、潜在的な原因または要因など、複数の要因で構成される根本原因があります。

訴訟手続きにおいて、関係当事者はそれぞれ、故障解析を行い報告書を作成するために、法医学的材料工学の専門家証人を依頼することがあります。こうした調査の際、当事者は物的証拠の確認のために同じ場所に集まることが多く、材料分析にも立ち会うことができます。しかし、その後、各当事者は収集した画像やデータを独自に観察し、証言録取や裁判手続きに備えて解釈や分析を行うことが一般的です。

金属表面は、走査型電子顕微鏡で使用される分光法やエネルギー分散型X線分光法など、さまざまな方法で分析できます。金属の性質と組成は通常、バルクを切断して研磨し、合金成分間のコントラストをセクション内で得るためにエッチング溶液を使用した後、光学顕微鏡を使用して平坦なセクションを観察することによって確立できます。このような溶液（多くの場合、酸）は表面を優先的に攻撃するため、ある組成の特徴または介在物を分離し、研磨された未処理の表面よりもはるかに明確に見ることができます。金属組織学は、金属の微細構造を調べるための一般的な技術ですが、セラミック、ガラス、ポリマーにも適用できます。走査型電子顕微鏡（SEM）は、破断面を観察することによって、破壊モードを決定する上で重要な役割を果たすことがよくあります。亀裂の発生源を見つけて、その成長の仕方を評価することで、たとえば、過負荷破壊と疲労破壊を区別できます。しかしながら、疲労破壊は、延性の欠如や、破断面における高速亀裂成長領域と低速亀裂成長領域の存在によって、過負荷による破壊と容易に区別できる場合が多い。例えば、クランクシャフトの疲労は、エンジン部品によく見られる破壊モードである。この例では、そのような領域が2つ示されており、底部には低速亀裂、上部には高速亀裂が存在する。

陶磁器やガラス製のフロントガラスなどの硬質製品は、金属に用いられるのと同じ走査型電子顕微鏡（SEM）法、特に低真空下で行われる環境走査型電子顕微鏡（ESEM）を用いて研究することができる。破断面は、ハッチングなどの表面特徴から亀裂の発生源を特定できるため、特に貴重な情報源となる。表面特徴の分析は、フラクトグラフィーを用いて行われる。

発生源の位置を製品にかかる可能性のある荷重と照合することで、例えば事故がどのように発生したかを示すことができます。弾痕の検査では、弾丸の進行方向や衝撃エネルギーがわかる場合が多く、瓶などの一般的なガラス製品を分析することで、犯罪や事故で故意に破損したのか、偶発的に破損したのかを判断できます。異物などの欠陥は、重大な亀裂の発生源付近または発生源自体に発生することが多く、ESEMによって容易に特定できます。

熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、複合材料は、 FTIRおよびUV分光法、ならびにNMRおよびESEMを用いて分析できます。破損したサンプルは、適切な溶媒に溶解して直接検査（UV、IRおよびNMR分光法）するか、溶媒から薄膜状にキャストするか、固体製品からミクロトームを用いて切断することができます。溶媒吸収による問題がなく、サンプルの完全性が部分的に維持されるため、スライス法が好ましいです。破断した製品は、破面解析法を用いて検査できます。これは、マクロ写真と光学顕微鏡を用いて、すべての破断部品に対して特に有用な方法です。

ポリマーは通常、金属やセラミックとはかなり異なる特性を持つが、製品の設計や製造が不十分な場合、機械的過負荷、疲労、応力腐食割れによる破損は同様に起こりやすい。多くのプラスチックは、特に射出成形に欠陥がある場合、飲料水に低濃度で含まれる塩素などの活性化学物質による腐食を受けやすい。

ESEMは、調査対象試料の観察部分から元素分析を行うのに特に有用です。これは実質的に微量分析の手法であり、微量証拠の検査に役立ちます。一方で、色の再現性はなく、元素同士の結合状態に関する情報も得られません。試料は真空状態に曝されるため、揮発性物質が除去される可能性があり、試料をマウントに固定するために使用された物質によって表面が汚染される可能性もあります。

ゴム製品は機械の安全上重要な部品であることが多く、故障すると事故や機能喪失につながる可能性があります。故障した製品は、一般的なポリマー分析法で検査できますが、サンプルが加硫または架橋されている場合は検査がより困難になります。減衰全反射赤外分光法は、製品が通常柔軟性があり、分析に使用するセレン結晶に押し付けることができるため有用です。簡単な膨潤試験も、製品に使用されている特定のエラストマーを特定するのに役立ちます。多くの場合、最適な手法は、顕微鏡のX線元素分析機能を使用したESEMです。

この方法は元素分析しか提供しませんが、検査対象のエラストマーの正体に関する手がかりを提供できます。したがって、多量の塩素の存在はポリクロロプレンを示し、窒素の存在はニトリルゴムを示します。この方法は、ひび割れた表面に多量の酸素が存在することによってオゾン分解を確認するのにも役立ちます。オゾンは、天然ゴム、ニトリルゴム、ポリブタジエンおよび関連する共重合体などの感受性の高いエラストマーを攻撃します。これらのエラストマーは主鎖に二重結合を持っており、この部分がオゾン分解中に攻撃されます。

この問題は、 Oリングやダイヤフラムシールなどの露出したエラストマー表面付近に低濃度のオゾンガスが存在する場合に発生します。製品には引張応力がかかっている必要がありますが、劣化を引き起こすにはごくわずかな歪みで十分です。

• Lewis, Peter Rhys、Reynolds, K、Gagg, C、『法医学材料工学：事例研究』、CRC Press (2004)。
• ルイス、ピーター・リース著『法医学的高分子工学：高分子製品が使用中に故障する理由』第2版、ウッドヘッド／エルゼビア（2016年）。