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: hosoda.h.aa@m.titech.ac.jpURL: 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

ﾊﾞﾘｳﾑ，金，白金など明瞭な影

軽元素（電子数：大）

NINS @