新しいエンジニアリング材料トップ7：知っておくべきこと

先端材料とは、最近研究された、あるいは開発中の、卓越した性能と特殊な機能を持つ材料のことである。これらの材料は、科学技術、特にハイテク産業や新興産業の発展にとって最も重要である。

この記事では、こうした革新的なエンジニアリング素材のいくつかを簡単に紹介する。

1.光ファイバー

光ファイバーはファイバーと略され、光情報を伝送するための光ファイバーである。光波伝送の媒体として、典型的なファイバーは高屈折率のコアと低屈折率のクラッドで構成されている。実用的なアプリケーションでは、何百本、何千本ものファイバーが組み合わされ、ある種のケーブル構造になっている。

長距離伝送には、伝送中に徐々に減少する光信号を回復させる光リピータが必要である。光ファイバーの主な特性は、光損失と伝送帯域幅の2つで、前者は伝送距離を決定し、後者は情報容量を決定する。

光ファイバーの開発は現在、非リピーター距離の延長、損失の低減、超長波長・超広帯域化への進展に重点が置かれている。以下に、開発・実用化されている光ファイバの種類を紹介する：

(1) 石英繊維

現在、通信用ファイバーは主に高純度石英ガラスで構成されている。 石英繊維は化学的に安定で、膨張係数が小さく、長期信頼性に優れ、資源も豊富である。しかし、やや脆く、光損失のさらなる低減には限界がある。

(2) プラスチック繊維

プラスチック繊維の芯材には、ポリメチルメタクリレート（PMMA）やポリスチレン（PS）を使用することができ、被覆繊維の材料には、PMMAではフッ素樹脂、PSではPMMA材料を使用することができる。プラスチック繊維には、優れた柔軟性、高い耐破損性、軽量、低コスト、簡単な加工など、多くの利点があります。

しかし、伝送損失が大きいため、その用途は主に短距離のエネルギー伝送や画像情報伝送に集中している。

(3) 硫化化合物繊維

最も代表的な硫化化合物ガラス繊維はAs-S系で、融点が高く加工性に優れている。

(4) ハライド結晶繊維

ハロゲン化物結晶ファイバーには、単結晶のCsBrやCrI、多結晶のTiBrIなどがある。結晶ファイバーは、1～10μmの広い波長帯域で低損失を示し、COガスレーザーの伝送に使用できる。

(5) フッ化物ガラス

現在研究されている超低損失赤外線ファイバーの有望な材料としては、フッ化ジルコニウム（ハフニウム）ケイ酸塩ガラス、フッ化アルミン酸塩ガラス、酸化トリウムと希土類フッ化物を主成分とするフッ化物ガラスなどがある。

中でもジルコニウム（ハフニウム）シリケートガラスは、波長範囲が広く低分散で加工性が良いなどの特徴を持ち、長波長通信用ファイバーとして最も有望な材料と考えられている。

光ファイバーはコンピューター情報伝送に使用でき、データ検索、銀行口座取引、先物契約、ホログラフィック画像の長距離伝送の可能性など、柔軟で高速、大規模なコンピューター・ネットワークの構築を可能にする。また、高強度レーザーの伝送や光ファイバーセンサーの製造などにも使用できる。

2.超伝導材料

1911年、オランダの物理学者ハイケ・カマーリン・オンネスは、液体窒素の温度4.2Kで水銀の抵抗が突然消失する現象を発見した。この現象は超伝導として知られ、これを示す物質は超伝導体と呼ばれる。

超伝導体がゼロ抵抗になる状態を超伝導状態という。超伝導が発現する温度は臨界温度と定義され、熱力学的温度尺度であるケルビン（K）で測定される。

後に、超伝導体を磁場中で冷却すると、材料の抵抗が消失した時点で磁力線が導体から追い出されることが発見された。この現象は、完全反磁性またはマイスナー効果として知られている。超伝導と反磁性は、超伝導体の2つの主要な特徴である。

超電導材料は、エネルギー、交通、情報、基礎科学、医療などさまざまな分野で応用されている。例えば、電力システムでは、超電導電力貯蔵が現在最も効率的な貯蔵方法であり、超電導送電を使用することで電力損失を大幅に削減することができる。

高磁場、低エネルギー損失、軽量である超電導磁石は、磁気流体発電に使用することができ、熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換し、発電機の出力を大幅に向上させることができる。

超伝導トンネルを利用することで、高感度、低ノイズ、高速応答、低損失を特徴とする様々なデバイスを作ることができ、電磁波検出に適し、精密測定・検査技術の実用化を促進する。コンピュータでは、超伝導材料で作られたジョセフソン接合型コンピュータは、小型・大容量で毎秒10回の高速計算が可能である。

超伝導体と磁場の間に生じる磁気浮上効果は、超伝導磁気浮上列車を作るのに使うことができる。さらに、超伝導体から発生する巨大な磁場は、制御された熱核反応に利用することができる。

3.制振材料

制振合金とは、構造上必要な強度を保ちながら、振動を減衰させる機能を持つ機能材料である。内部摩擦が大きく、振動の減衰が速い合金です。制振合金は、その制振メカニズムにより、多相型、強磁性型、双晶型、転位型に分類されます。

(1) 多相合金

多相合金は2つ以上の相からなり、一般的に硬いマトリックス上に軟らかい第2相が分布しているのが特徴である。合金中の第二相の繰り返し塑性変形を利用し、振動エネルギーを摩擦熱に変換して減衰させます。

薄片状黒鉛を含むねずみ鋳鉄は、最も広く使用されている多相減衰合金で、工作機械のベース、クランクシャフト、カムなどに一般的に使用されている。Al-Zn合金も代表的な多相減衰合金で、ステレオアンプなどに使用されています。

(2) 強磁性合金

これらの合金は、強磁性体の磁歪と振動時の磁区の回転・移動を利用して、振動エネルギーを減衰に消費します。クロム含有量12%のクロム鋼やFe-Cr-Al系合金は強磁性制振合金の一例であり、蒸気タービンブレードや精密機器のギアなどに使用されている。

(3) 双晶合金

双晶合金は、相変化の際に微細な双晶構造が形成されることを利用し、双晶粒界の移動を通じて振動エネルギーを吸収する。例えば、日本で新しく開発されたMn-Cu-Ni-Fe合金は、1回の振動で振幅を半分にすることができ、エンジン部品、モーターケーシング、洗濯機部品などに適している。

(4) 転位合金

転位合金は、転位と格子間原子の相互振動によって振動エネルギーを吸収する。Mg-Zr系（w_Zr=6%）合金は、例えばミサイルの誘導用ジャイロコンパスや、制御装置のような精密機器のスタンドに使用され、その正常な機能を確保している。

Mg-MgNi合金は優れた減衰特性を持つだけでなく、高強度、低密度であるため、航空宇宙産業向けの優れた振動減衰材料となる。

4.低温材料

低温における材料の最も危険な破壊モードは低温脆性破壊である。従って、低温下で使用される材料には優れた低温靭性が要求される。さらに、室温と低温の間の変化による熱変形を防ぐために、これらの材料は熱膨張係数が小さく、加工性に優れている必要がある。

低温の磁場下で使用される材料は、通常、非磁性であるべきである。低温金属材料には主に、低合金フェライト鋼、オーステナイト系ステンレス鋼、ニッケル鋼、二相鋼、鉄-ニッケル系超合金、アルミニウム合金、銅合金、チタン合金などがある。

使用温度の違いから、一般的に使用される低温材料は、以下の3つに大別される：

(1) -40～-100℃の材料：この温度範囲で使用される低温材料は、主に低炭素鋼や低合金鋼で、例えば3.5% w_ニーアルミキルド低炭素マンガン鋼06MnVAlの最低使用温度は-130℃である。

これらは主に石油化学産業、冷凍設備、寒冷地の土木構造物、ガスパイプライン、低温作動コンプレッサー、ポンプ、バルブなどに使用されている。

(2) -160～-196℃用材料：この温度範囲で使用される低温材料は、主に液化天然ガスおよび酸素製造産業用である。

低温靭性に優れるが強度が低く、膨張係数が大きい18-8オーステナイト系ステンレス鋼、9% w.A.のようなニッケル基低温用鋼などがある。_ニー (w_c<0.1%）、Ni（w_ニー=5%) -Mo (w_モ=0.2%）鋼で、高強度、良好な低温靭性、信頼性の高い溶接性を有し、ますます使用されている；高マンガンオーステナイト鋼20Mn23Al、アルミニウム合金5083など。

(3）-253～-269℃の超低温材料：主に液体水素や液体塩素を貯蔵・輸送する容器や、強磁場超電導機器の部品などに使用される。

超低温合金は、主に18-8系ステンレス鋼をベースに炭素と窒素を添加した超低温用オーステナイト系ステンレス鋼、高マンガンオーステナイト系ステンレス鋼15Mn26Al4、Ni（w_ニー=12%) -Ti (w_ティ=0.25%）、Ni（w_ニー=13%) -Mo (W_モ=3%）鋼、およびNi基合金である。

5.形状記憶材料

通常の材料とは対照的に、形状記憶材料の特徴は、低温で応力を加えても変形を保持し、応力を取り除いた後も変形が消えないことである。しかし、ある固有の臨界温度以上に加熱すると、材料は変形前の幾何学的形状に完全に回復し、あたかも元の形状を記憶しているかのようになる。

この現象は形状記憶効果として知られている。この効果を示す材料は形状記憶材料と呼ばれる。金属記憶材料とセラミック記憶材料は、いずれもマルテンサイト相変態によって形状記憶効果を示すが、高分子記憶材料は、温度による鎖構造の変化によってこの効果を示す。

形状記憶材料は主に形状記憶合金で、現在数十種類が使用されている。これらは大きく分けて

1) ニッケル-チタン（Ni-Ti）ベース：原子比1：1のニッケルとチタンからなるこれらの合金は、優れた形状記憶効果、高耐熱性、耐食性、強度、比類のない耐熱疲労性、優れた生体適合性を持つ。しかし、原材料の価格が高く、製造工程が難しいため、高価で加工が難しい。

2) 銅ベース：銅基合金は、安価で製造が容易であり、形状記憶効果に優れ、抵抗率が低く、加工性が良い。しかし、長期間の使用や繰り返しの使用で形状回復率が低下するという問題がある。最も実用的な銅ベース合金は Cu-Zn-Al で、他には Cu-Al-Mn や Cu-Al-Ni などがある。

3）鉄系：鉄系形状記憶合金は、高強度、良好な塑性を持ち、安価であるため、徐々に注目を集めている。現在開発・研究中の鉄系形状記憶合金には、主にFe-Mn-Si系とFe-N-Co-Ti系がある。

近年、形状記憶効果はセラミック材料、高分子材料、超伝導材料で発見され、それぞれがユニークな特性を持っているため、記憶材料の応用の可能性はさらに広がっている。

形状記憶材料は、航空、航空宇宙、機械、エレクトロニクス、エネルギー、医療分野、そして日常生活で広く応用されている。例えば、アメリカの航空会社は、形状記憶効果を利用して、F-14戦闘機の溶接が困難なオイルパイプの接続問題を解決した。

6.水素貯蔵材料

無公害のエネルギー源であり、地球上に豊富に存在する水素は、将来の主要エネルギー源として期待されている。しかし、水素の貯蔵には大きな課題がある。金属水素化物の形で水素を吸収・貯蔵し、必要なときに貯蔵した水素を放出できる機能性材料を水素貯蔵材料と呼ぶ。

水素貯蔵材料は、水素を吸収して金属水素化物を形成し、冷却または加圧時に熱を放出する。逆に、金属と水素に戻り、水素ガスを放出し、加熱または減圧時に熱を吸収する。水素貯蔵材料の水素密度は、気体水素の1000～1300倍である。

現在、研究開発中の主な水素貯蔵材料には以下のものがある：

マグネシウムベース：これらの材料は水素貯蔵容量が大きく、低コストである。欠点は、水素を放出するには250℃以上の温度が必要なこと。例えば、Mg2Ni、Mg2Cuなど。

チタンベース：チタンベースの水素吸蔵合金は、水素吸収容量が大きく、室温で容易に活性化し、低コストで、大規模な用途に適している。例えば、チタン-マンガン、チタン-クロムなどの二元合金、チタン-マンガン-クロム、チタン-ジルコニウム-クロム-マンガンなどの三元合金や多元合金がある。

ジルコニウム系：100℃以上でも優れた水素吸蔵特性を持ち、大量の水素を素早く効率的に吸蔵・放出できるため、高温水素貯蔵材料に適している。例えば、ZrCr2、ZrMn2など。

希土類系：ランタンニッケル合金LaNiに代表される希土類系水素吸蔵合金は、水素吸蔵特性に優れ、活性化しやすい。40℃以上の温度で水素を素早く放出するが、コストは比較的高い。

コスト削減と性能向上のため、混合希土類をランタンに置き換えたり、他の金属元素を混合希土類とNiで形成される多元素水素吸蔵合金に部分的に置き換えたりすることができる。

鉄ベース：最も代表的な鉄系水素吸蔵合金は、鉄-チタン合金である。優れた水素貯蔵特性を持ち、低コストであるが、活性化が比較的難しい。

7.磁性材料

自然界に存在する物質は、その磁気的性質から反磁性、常磁性、強磁性の3種類に分類することができる。磁性体とは、強磁性を持つ物質のことである。

磁性材料は、エレクトロニクス、電力、電気モーター、計測器、電気通信などの産業において必要不可欠なものである。磁性材料は、その磁気特性から軟磁性材料と硬磁性材料に分類される。

軟磁性材料は、外部磁場下で容易に磁化され、外部磁場を取り除くと容易に減磁する材料である。高透磁率、高磁気誘導強度、低保磁力、磁化・減磁時のエネルギー損失が少ないことが特徴である。

軟磁性材料には多くの種類があり、最も一般的なものは電気純鉄、ケイ素鋼板、Fe-Al合金、Fe-Ni合金、フェライト系軟磁性材料である。

永久磁石とも呼ばれる硬質磁性材料は、一度磁化されると外部からの電力供給なしに磁場を発生させることができる。

これらの材料はかなりの保磁力と残留磁気を特徴とし、磁電機器、スピーカー、永久磁石発電機、通信機器などに広く使用されている。

現在使用され、研究されている硬質磁性材料は、金属系硬質磁性材料、フェライト系硬質磁性材料、希土類系硬質磁性材料、ネオジム・鉄・ボロン系硬質磁性材料に大別される。

また、情報記録用の磁気メモリー材料（磁気テープ、磁気ディスクなどの製造）、記録ヘッド用材料、電子計算機のメモリー磁性材料、精密機器の磁気補償材料など、特殊な用途の磁性材料もある。