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知的金属材料の設計 形状記憶合金の開発と応用
第二回NINSコロキウム 知的金属材料の設計 形状記憶合金の開発と応用 東京工業大学 精密工学研究所 先端材料部門 教授 細田秀樹 Email: [email protected] URL: http://www.mater.pi.titech.ac.jp NINSコロキウム@つま恋 スマート（知的）材料 スマート材料の定義 ・頭の良い材料 ・センサー ⇔ アクチュエータ ・感受 ⇒ 反応 ・機能変換 ・multiferroic材料 形状記憶合金の特徴 NINSコロキウム@つま恋 靭性 延性 強度 金属 有機 セラミックス 有機 有機 セラミックス 有機 金属 金属 セラミックス 金属 セラミックス 融点 金属・セラミックス・有機材料の特徴 金属材料の最大のメリット：最も壊れにくい NINSコロキウム@つま恋 動く材料＝アクチュエータ材料 単位体積当たりの仕事 (J/m 3) 10 8 熱駆動 7 Ti-Ni 10 10 形状記憶合金の特徴 形状記憶合金 固体液体 6 熱膨張 5 ・数%もの巨大可逆歪み ・数百MPaもの巨大発生応力 ・最大の仕事/単位体積 ・一定温度での駆動 ・磁場による駆動(FSMA) ・金属としての特徴 磁場駆動 NiMnGa 10 4 筋肉 10 10 10 電磁力 3 静電力 P. Krulevitch et al. Sensors and Actuators (1996) ピエゾ （ 圧電） 素子 2 1 10 1 NINSコロキウム@つま恋 102 10 3 104 10 5 動作周波数（ Hz） 10 6 ×非線形動作 （On/Off) ×電気的駆動が難しい ×駆動速度が低速 ×温度変化による特性変化 10 7 動かし方から 形状記憶合金：熱（温度変化） 加熱：火，湯（水蒸気），通電，高周波誘導，レーザ（光）等 精密制御が難しい 冷却は放冷であり，高速での冷却は不可能 圧電材料：電圧 身の回りのほとんどは電気製品→多くの製品に利用しやすい 変位を精密に制御できる 大きな変位を出せない 磁性形状記憶合金：磁場 遠隔でも動作する 高速動作する まだまだ研究段階 NINSコロキウム@つま恋 各形状記憶材料の特徴 ○電場 － 圧電材料（BaTiO3, PZTなど) ○磁場 － 磁歪材料 (Terfenol-Dなど） ○光 － 光歪材料（PLZTチタン酸ジルコン酸ランタン鉛等） ○熱 － 熱膨張 → バイメタル 相変態 → 形状記憶合金 材料 形状回復歪 形状回復力 駆動方式 形状記憶合金 形状記憶 ポリマー 1-20％ 200-800％ 50-800MPa 1-30MPa 熱，磁場 熱，電場，磁場 光，化学反応 形状記憶 セラミックス <1% 40-100MPa 熱，電場，光 NINSコロキウム@つま恋 形状記憶・超弾性効果 変形 変形 加熱 形状回復しない！ 加熱 形状回復する！ 形状記憶効果！ セラミックス 金属材料 形状記憶効果 超弾性効果 応力 × 形状記憶・超弾性合金 除荷により形状回復 加熱により形状回復 NINSコロキウム@つま恋 歪み 形状記憶合金のメカニズム１ 面心立方格子 2ユニット 黒い原子 に着目 縦を縮めて 横をのばす マルテンサイト 変態 NINSコロキウム@つま恋 体心立方格子 （鉄では体心正方） 無拡散変態 マルテンサイト変態 形状記憶合金のメカニズム１ 伸び縮みの方向が異なるものがあるから・・ マルテンサイト 母相 NINSコロキウム@つま恋 ２種類のマルテンサイト変態 母相（高温相） 温 度 熱弾性型 非熱弾性型 マルテンサイト相 （低温相） 時間 NINSコロキウム@つま恋 熱弾性 ・体積変化がほとんど無い → 形状記憶効果 非熱弾性型 ・大きな体積変化 → 鉄鋼材料の強化 （焼き入れ） 変形のメカニズム２ 形状記憶効果 SME 超弾性 SE 転位による塑性変形 P相：母相 M相：マルテン サイト相 Mf：マルテンサ イト変態終了 温度 As：オーステナ イト変態開始 温度 Aｆ：オーステナ イト変態終了 温度 Md：応力誘起マ ルテンサイト 変態の起こる 最高温度 P相 加熱 冷却 除荷 負荷 負荷 応力誘起 マルテンサ イト変態 除荷 負荷 マルテン サイト 変態 負荷 M相 バリア ント 再配列 ○の並びは原子 列を意味する． T <Mf （As） 応力 負荷 SE SME NINSコロキウム@つま恋 低 Af < T < Md 加熱 歪み 温度, T Md < T 高 塑性変形 変形のメカニズム２ 形状記憶効果 超弾性 塑性変形 小 ちから 母相 加熱 冷却 除荷 負荷 除荷 負荷 負荷 負荷 大 マルテンサイト相 低 NINSコロキウム@つま恋 温度 高 母相とマルテンサイトの組織 マルテンサイト相 Ti-18Nb-3Al 母相 Ti-24Nb-3Al 50 µm 200 mm 平均粒径： 電子顕微鏡でみると 74mm 121b 0.5 mm 1.0 mm 1 mm NINSコロキウム@つま恋 変形挙動 と変形機構 温度, T 低 T <As ④再配列した M相の塑性変形 Af < T < Md 応力 ②バリアント再配列 および応力誘起変態 ①M相 または P相の 弾性 変形 ① 塑性による 残留歪み ③ ② ⑤ 除荷 ⑥ 加熱によりP相へ逆 変態し，形状回復 NINSコロキウム@つま恋 除荷 ⑤ ⑤M相の 弾性変形 ②M相への応 力誘起変態 Ms ② ⑤ Md < T ④応力誘起M 相の塑性変形 除荷 ③ Mf ⑤ 除荷 ②P相の 塑性変形 ④ ③応力誘起M 相の弾性変形 ④ ③再配列したM 相の弾性変形 高 ⑤応力誘 起M相の 弾性変形 ② ① ①P相の ①P相 A A Af ⑥ s ⑥ s 弾性変形 の弾性 Af ⑥P相への ⑥転位の ① ⑦ 逆変態による 変形 応力場形 ⑦ 形状回復 成による 双晶擬弾性 ⑦P相の弾性変形 塑性による 残留歪み 歪み 塑性による 残留歪み ③ 除荷 ③P相 の弾性 変形 二方向性 双晶擬弾性 二方向性形状記憶効果 安定配列の バリアント 加熱 T <Mf (As) バリアント 負荷 再配列 バイアスによる二方向性 T < Ms SMA バネ 冷却 相変態 加熱 Af < T 除荷 M相 P相 T < Af SMA バネ T <Mf (As) 外部印加応力：無 応力 歪み 温度：一定 Ｍ Mf 降温 歪み NINSコロキウム@つま恋 As Ms 温度 Af 冷却 昇温 P T < Ms SMA バネ 形状記憶合金の研究動向 磁場動作 より良い 材料へ ☆より速く ☆より広い温度 高温動作 高安全性 価格など ☆より安く， NINSコロキウム@つま恋 ☆より長持ち ☆より安全 ☆より容易に治療 形状記憶合金の利用について ＜形状記憶合金の利点＞ ○強度と延性のバランス，高信頼性 ○成形性，鋳造性，溶解―加工により部品を作製できる． ○ワイヤ，板，特に大型部品の作製が可能 ○耐食性などの耐環境性 → これらはいずれも，金属材料としての利点である． 例：バルクで大型部品の作製 圧 電 材 料：極めて困難 形状記憶合金：容易 大型部材 大量生産 自動車などの 大型部材 大量生産 強度－延性－耐環境性－形状記憶特性 バランスのよい金属の特徴を活かす用途開発 NINSコロキウム@つま恋 形状記憶・超弾性の利用 形状記憶効果の利用 加熱作動 ・加熱による形状回復の利用：アンテナ，パイプ締結，ネジ ・加熱で発生する応力の利用：アクチュエータ 感温作動 ・温度による形状変化の利用：エアコンの風向調節、温室・床下換気 ・温度による応力変化の利用：蒸気弁，温室・床下換気，ネジ 超弾性効果の利用 ・形状保持機構の利用 ：ステント，釣り糸，ペチコート ・しなやかさの利用 ：ガイドワイヤ，携帯アンテナ，人工骨 ・一定応力発生の利用 ：歯列矯正ワイヤ，眼鏡フレーム，ブラジャー NINSコロキウム@つま恋 形状記憶合金の省エネ利用 温度センサー・アクチュエータとして利用 温度調節 温室、床下、窓などの換気システム 水道、温水を利用した自動換水システム 位置制御 太陽電池パネルの制御、ブラインド 問題点：設定温度の変更、調整 動作量の制御、温度ヒステリシス 皆さんの新しいアイデアを待っています！ NINSコロキウム@つま恋 形状記憶合金によるエネルギー回収 熱エンジン 形状記憶合金の変態温度より、僅かに高い温度である 低品位の熱エネルギーを機械エネルギーに変換する装置 ・回転板式 ・ベルト・プーリー式 ・直線作動式 冷却温排水、温泉などの80-100℃程度の低品の 熱エネルギーの回収ができる 要求：繰り返し動作 数％の歪み×106回以上 3×108回 （1Hzｘ10年動作の場合） 材料コスト、耐食性、耐疲労性、低ヒステリシス NINSコロキウム@つま恋 形状記憶合金の熱エンジンの原理 形状記憶合金バネ 通常のバネ 高温 T > Af 発生応力P×回復歪み ＝機械エネルギー 温度-歪み関係 歪み Af以上では形状回復：通常のバネに弾性エネルギーが蓄積 Ms> T > Mf As Mf Ms Ms以下で軟化：通常のバネにより押し戻される Af P 降温 温度 変態温度ヒステリシス 低温 Mf > T この場合 Af-Mf Mfで最弱：通常のバネにより完全に押し戻される NINSコロキウム@つま恋 昇温 Ｍ 超弾性による歯列矯正 － 歯列矯正ワイヤの開発－ 歯並びを整える歯列矯正：従来，ステンレスやコバルトクロ ム合金ワイヤーが用いられてた．歯科矯正ワイヤでは， ○ 一定以上に力を保ち，矯正する必要がある． 緩むと場所がずれ，所定の矯正ができない． ○ ある程度以上の力が掛かると，患者に苦痛を与える． 緩んだり，締めすぎない 問題点 － 歯列矯正ワイヤの問題点 － 食べたり，喋ったりする際，口が動き，ワイヤが変形する． → 通常常の材料は，変形と力が比例 （弾性変形） → したがって，口が動くと締め付け力が変わる． → 歯列矯正は数年掛かり，患者が長期に大きな負担 矯正中でも快適な生活 解決法 力 － 理想的な歯列矯正ワイヤ － 口を動かしても，保持力が変わらないワイヤ が理想的 → Ti-Ni系超弾性合金の利用 普通の材料 （ステンレスなど） 超弾性合金 一定の変形力 変形量 NINSコロキウム@つま恋 血管治療材料に何が求められか？ 問題点（ステンレス) ✓ 硬すぎる → ○ ニッケルチタン合金 □ ニチノール (NiTi) ✓ Ｘ線造影性→ ○ マーカー（Pt，Ｗ） □ Ｐｔﾏｰｶｰ NiTi ニチノールも問題があるんです・・・ ✓ 金属アレルギー □ → ○ 安全な元素 ✓ レントゲン造影性 → ○ 金・白金 □ NINSコロキウム@つま恋 4/10 周期律表とレントゲン像影性 重元素（電子数：大） ﾊﾞﾘｳﾑ，金，白金など 軽元素（電子数：大） ｱﾙﾐ，ﾁﾀﾝ，鉄，ﾆｯｹﾙなど 薄い影 電子が少ないと散乱が少ない 1 2 3 4 5 6 7 8 明瞭な影 電子が多いと散乱が大きい 9 10 11 12 13 14 15 16 17 H 18 He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe NINSコロキウム@つま恋