知的金属材料の設計 形状記憶合金の開発と応用 and actuators (1996) 107...
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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]: http://www.mater.pi.titech.ac.jp
コロキウム つま恋NINS @
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
コロキウム つま恋NINS @
金属・セラミックス・有機材料の特徴
セラミックス
金属
有機
融点 セ
ラミックス
金属
有機
強度
セラミックス
金属
有機延
性 金属
有機
靭性
セラミックス
金属材料の最大のメリット:最も壊れにくい
コロキウム つま恋NINS @
動く材料=アクチュエータ材料
1 101 102 103 104 105 10610
2
103
104
105
106
107
108
動作周波数( Hz)
固体-液体
NiMnGa
熱駆動
熱膨張
ピエゾ( 圧電)
素子P. Krulevitch et al.
Sensors and Actuators (1996)
107
形状記憶合金
電磁力静電力
筋肉
単位
体積
当た
りの
仕事
(J/m
3)
磁場駆動
Ti-Ni
1 101 102 103 104 105 10610
2
103
104
105
106
107
108
動作周波数( Hz)
固体-液体
NiMnGa
熱駆動
熱膨張
ピエゾ( 圧電)
素子P. Krulevitch et al.
Sensors and Actuators (1996)
107
形状記憶合金
電磁力静電力
筋肉
単位
体積
当た
りの
仕事
(J/m
3)
磁場駆動
Ti-Ni
形状記憶合金の特徴
・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
×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
コロキウム つま恋NINS @
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
コロキウム つま恋
動かし方から
NINS @
各形状記憶材料の特徴
材料 形状回復歪 形状回復力 駆動方式
形状記憶合金 1-20% 50-800MPa 熱,磁場
形状記憶ポリマー
200-800% 1-30MPa 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
○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
コロキウム つま恋NINS @
形状記憶・超弾性効果変形 加熱
変形 加熱
形状記憶効果!
形状回復しない!
形状回復する!
応力
歪み
セラミックス×
金属材料形状記憶効果
加熱により形状回復
除荷により形状回復
超弾性効果形状記憶・超弾性合金
コロキウム つま恋NINS @
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
体心立方格子(鉄では体心正方)縦を縮めて
横をのばす
マルテンサイト変態
無拡散変態マルテンサイト変態
コロキウム つま恋NINS @
母相
伸び縮みの方向が異なるものがあるから・・
形状記憶合金のメカニズム1
コロキウム つま恋
マルテンサイト
NINS @
2種類のマルテンサイト変態
熱弾性・体積変化がほとんど無い
→ 形状記憶効果
母相(高温相)
温度
時間
非熱弾性型非熱弾性型・大きな体積変化→ 鉄鋼材料の強化
(焼き入れ)
熱弾性型
マルテンサイト相(低温相)
コロキウム つま恋NINS @
変形のメカニズム2P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
○の並びは原子列を意味する.
除荷
加熱
形状記憶効果 SME 超弾性 SE
T <Mf (As) Af < T < Md
負荷
転位による塑性変形
負荷
冷却
負荷
負荷
除荷 負荷
マルテンサイト変態
バリアント
再配列
温度, T 高低Md < T
P相
M相
応力
歪み加熱
SME SE 塑性変形
応力誘起マルテンサ
イト変態
コロキウム つま恋NINS @
除荷
加熱
形状記憶効果 超弾性
負荷
塑性変形
負荷
冷却 負荷
除荷 負荷
温度高低
母相
マルテンサイト相
ちか
ら
大
小
コロキウム つま恋
変形のメカニズム2
NINS @
200 mm
平均粒径: 74mm
電子顕微鏡でみると121b
母相Ti-24Nb-3Al
0.5 mm
マルテンサイト相Ti-18Nb-3Al
50 µm
1 mm1.0 mm
母相とマルテンサイトの組織
コロキウム つま恋NINS @
変形挙動 と変形機構
T <As Af < T < Md
温度, T 高低
応力
歪み加熱によりP相へ逆変態し,形状回復
①M相またはP相の弾性変形
②バリアント再配列および応力誘起変態
③再配列したM相の弾性変形
④再配列したM相の塑性変形
除荷
除荷
⑥転位の応力場形成による双晶擬弾性
①P相の弾性変形
②M相への応力誘起変態
Ms Mf
AsAfAs
Af
③応力誘起M相の弾性変形
④応力誘起M相の塑性変形
⑤応力誘起M相の弾性変形
⑥P相への逆変態による形状回復
⑦P相の弾性変形
⑤M相の弾性変形
除荷
除荷
塑性による残留歪み
塑性による残留歪み
①
②
③
④
⑤
⑥⑤
①
②
③
④
⑤⑤
⑥ ⑥
⑦⑦
①P相の弾性変形
②P相の塑性変形
③P相の弾性変形
Md < T
①
②
③除荷
塑性による残留歪み
コロキウム つま恋NINS @
二方向性
除荷
双晶擬弾性
二方向性形状記憶効果
Af < Tバリアント再配列
P相M相
応力
歪み
安定配列のバリアント
負荷
加熱
冷却
相変態
歪み
温度
昇温
降温Ms
Mf
As
Af
外部印加応力:無
T <Mf (As)
T <Mf (As)
温度:一定
PM
SMA バネ
T < Ms
SMA バネ
T < Af
加熱
冷却
SMA バネ
T < Ms
バイアスによる二方向性
コロキウム つま恋NINS @
高温動作
高安全性
磁場動作より良い
材料へ
☆より速く
形状記憶合金の研究動向
価格など
☆より広い温度
☆より安全☆より容易に治療
☆より安く, ☆より長持ち
コロキウム つま恋NINS @
<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
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
大型部材大量生産
自動車などの大型部材大量生産
形状記憶合金の利用について
コロキウム つま恋NINS @
コロキウム つま恋
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
形状記憶・超弾性の利用
NINS @
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!
コロキウム つま恋NINS @
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
コロキウム つま恋NINS @
コロキウム つま恋
形状記憶合金の熱エンジンの原理
歪み
温度
昇温
降温Ms
Mf
As
Af P
M
高温T > Af
Ms> T > Mf
低温Mf > T
形状記憶合金バネ 通常のバネ
温度-歪み関係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以下で軟化:通常のバネにより押し戻される
Mfで最弱:通常のバネにより完全に押し戻される
発生応力P×回復歪み=機械エネルギー
変態温度ヒステリシス
この場合 Af-Mf
NINS @
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.
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
緩んだり,締めすぎない
矯正中でも快適な生活
解決法
- 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
変形量力
コロキウム つま恋NINS @
□ 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)
問題点(ステンレス)
血管治療材料に何が求められか?
4/10
✓
✓
✓
□ 金属アレルギー → ○ 安全な元素□ レントゲン造影性 → ○ 金・白金
NiTi
Ptマーカー
ニチノールも問題があるんです・・・
✓
コロキウム つま恋NINS @
コロキウム つま恋
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
H 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
周期律表とレントゲン像影性
電子が少ないと散乱が少ない
アルミ,チタン,鉄,ニッケルなど薄い影
重元素(電子数:大)
電子が多いと散乱が大きい
バリウム,金,白金など明瞭な影
軽元素(電子数:大)
NINS @