形状記憶合金：本当に知っていますか？

エネルギー開発は、形状記憶合金の重要な応用分野である。形状記憶合金が加熱・冷却時に形状を変化させる性質を利用することで、廃熱、地熱、太陽エネルギーなどの低品位熱エネルギーを直接機械エネルギーに変換して利用することができる。

この原理に基づき、さまざまな熱エンジンの開発に成功し、熱エンジンの小型化と可搬性を加速させてきた。

近年、世界中の研究者が形状記憶、温度記憶、色記憶を中心とした記憶機能材料の開発に取り組んでいる。中でも形状記憶合金材料の開発は最も早い。

自動車、ロボット、エネルギー開発、医療機器、家電製品などの分野における形状記憶合金材料の優れた性能と幅広い用途の見通しにより、形状記憶合金材料は重要な材料の一つとなっている。 新素材 を21世紀に発展させる。

形状記憶合金は、最初に発見された記憶機能材料である。1950年代初頭、アメリカのイリノイ大学の専門家が、金-カドミウム合金に形状記憶機能があることを実験中に偶然発見した。

その後、インジウム-タリウム合金にも同様の形状記憶効果があることがわかったが、高価なため注目されなかった。1963年になって初めて、米海軍兵器研究所がニッケル・チタン合金の研究中に偶然、これらの合金に顕著な形状記憶効果があることを発見した。

また、優れた超弾性、耐食性、耐振動性など、他の金属にはない独自の長所も多い。この発見は研究者の注目を集め、研究が始まった。

近年、科学技術の急速な発展とともに形状記憶合金が登場し、数十種類の形状記憶合金が開発されている。

現在、実用化されている最も著名な形状記憶合金には、ニッケル・チタン系、銅系、鉄（またはステンレス）系がある。

I.形状記憶合金の開発

1.ニッケルチタン形状記憶合金

ニッケル-チタン合金は、形状記憶合金において最も優れ、広く使用されている材料の一つである。優れた延性、形状記憶強度、ひずみ、耐食性、電気抵抗、安定性を特徴としているが、コストが高いという欠点もある。

これらの合金は、一方向性と双方向性の両方の形状記憶挙動を特徴とし、これらの挙動を示す温度範囲は、合金の改良によって拡大または縮小することができる。

近年、多くの国で、ニッケル・チタン合金の特性をさらに向上させ、コストを削減するために、他の元素を添加することによる一連の改良ニッケル・チタン合金の研究が進められている。例えば、銅やバナジウム、アルミニウム、クロム、ジルコニウム、微量のカルシウムなどを添加することで、靭性、被削性、切削性を大幅に向上させることができる。

さらに、ニッケル-チタン-銅合金に希土類元素やホウ素、ケイ素、リン、硫黄などを添加することで、回復特性が大幅に改善された形状記憶合金を得ることができる。

日本の住友電気工業は、ニッケル・チタン合金に銅（またはアルミニウム、ジルコニウム、バナジウム、コバルト、鉄）を添加し、伸線加工することにより、美しい形状記憶合金ワイヤーを製造している。 表面処理装飾的な要求に応える。

日本のカントクは、毛髪の半分の直径を持つニッケルチタン合金ワイヤーを開発した。これらの特性により、自動車のバルブ、給湯器、整水器、小型電熱調整器、ブラジャーなどの分野に広く応用できる。

2.銅基形状記憶合金

銅を主成分とする形状記憶合金は、ニッケル・チタン系形状記憶合金よりも安価で成形が容易であるため、大きな発展の可能性を秘めている。

しかし、銅を主成分とする形状記憶合金の強度は、ニッケル・チタンを主成分とする形状記憶合金の強度に劣り、加熱を繰り返すと記憶能力は急速に低下する。

銅ベースのメモリー合金の機械的特性を改善するために、少量の チタンやマンガン、ジルコニウムを加えることができる。銅ベースの形状記憶合金で最も性能がよく、広く使われているのは銅-亜鉛-アルミニウム合金です。

この合金は熱伝導率が高く、温度変化に敏感であるため、感熱部品を作るのに適している。アメリカや日本などの国々では、室温を調節するために、温室や保育園の自動開閉窓に銅-亜鉛-アルミニウム合金を使用しています。

しかし、銅-亜鉛-アルミニウム合金の抵抗率は、ニッケル-チタン合金の抵抗率よりも低いため、電気加熱には適さない。鉄やシリコンを添加することで耐食性を向上させることができる。

日本の東京にある企業が、色彩記憶効果を持つ銅・ニッケル・アルミニウム合金の開発に成功した。この合金は温度の変化で赤から黄金色に変化し、美術工芸品、装飾品、玩具、家電製品の製造に広く利用できる。

3.鉄系形状記憶合金

鉄系形状記憶合金は低コストで豊富であるため、競争力が高い。開発された鉄系形状記憶合金には、鉄-マンガン合金、鉄-白金合金、ステンレス鋼形状記憶合金などがある。

マンガン合金にケイ素を添加することで、良好な形状記憶効果を持つ鉄-マンガン-ケイ素合金が得られる。これらは強度は高いが、耐食性に劣る。

クロムの添加により、耐食性を大幅に向上させることができる。鉄ベースの形状記憶合金は現在、パイプ継手、リベット、その他のコネクター、および固定具の製造に広く使用されている。取り付けや操作が簡単なだけでなく、安全性や信頼性も高く、有望な機能材料となっている。

日本で新たに開発されたステンレス鋼形状記憶合金は、形状回復特性や耐食性に優れるだけでなく、良好な被削性や耐高温酸化性を示す。

主成分のクロム、マンガン、ケイ素、鉄に加えて、これらの合金には一定量のニッケルやコバルト、銅、窒素が含まれている。

これらのステンレス鋼形状記憶合金は、従来の製鋼炉で溶解し、一般的な方法で最終製品に製造できるため、非常に汎用性が高い。

II.形状記憶合金の応用

形状記憶合金は、その優れた特性から、自動制御装置、ロボット工学、自動車産業、エネルギー開発、ヘルスケア、日用消費財などに広く使用されている。

1.自動車、ロボット、エネルギー開発における自動制御への利用

形状記憶合金は、温度センサーおよび作動素子として機能し、自動制御のための非常に高い感度を実現する。これらの合金の最も一般的な用途の一つはブレーキである。

現在、自動車業界では、主にエンジン、トランスミッション、サスペンションを制御し、安全性、信頼性、快適性を高めるために、100種類以上の形状記憶ブレーキが使用されている。

形状記憶合金は、マニュアルトランスミッションシステムの騒音防止装置やエンジンの燃料ガス制御装置にも使用されている。これらの合金の記憶効果と超弾性は、変位センサーや産業用ロボットのブレーキにも応用できます。

形状記憶合金ブレーキのロボットへの応用は、有望な成果を上げている。形状記憶合金のバネとその合金ワイヤーを使って、小型ロボットを組み立てることができる。合金の収縮を制御することで、ロボットの指は開いたり、閉じたり、曲げたりすることができる。

にパルス可変周波数電流を直接入力し、ロボットの位置、動作、速度を制御する。 合金元素.形状回復力は電流の大きさによって制御されるため、生物学的な筋肉の動きを模倣した動きになる。

さらに、エネルギー開発も形状記憶合金の重要な応用分野である。加熱・冷却時の形状記憶合金の形状変化特性を利用して、廃熱、地熱、太陽エネルギーなどの低品位熱エネルギーを直接機械エネルギーに変換して利用することができる。

この原理に基づき、さまざまな熱エンジンの開発に成功し、熱エンジンの小型化・軽量化を加速させてきた。

2.歯科用および血管疾患用医療機器への使用

形状記憶合金の超弾性、生体適合性、無毒性は、医療分野での応用を成功に導いた。

歯科では、形状記憶合金は人工歯根、歯並び、歯冠の製作に使用できる。人工歯はニッケルチタン合金の歯肉に固定され、その下には二重構造の合金歯根シートがあります。

手術によって、この根面シートは低温で固定され、歯槽骨に移植される。体温の影響を受けると、歯根シートは反転して元の八の字型に回復し、歯槽骨にしっかりと固定される。

これらの人工歯根は耐腐食性と生体適合性に優れており、歯科で広く使用されている。

さらに、形状記憶合金は歯並びを整えるワイヤーとしても使用されており、ステンレス製のものより優れています。形状記憶合金クリップは超弾性であるため、長期間弾性を維持することができ、弾性緩和による交換の必要がありません。

この長期的な弾性により、治療期間を短縮することができる。形状記憶合金は、子供の歯の成長に合わせて自動的に調整できるため、歯冠を装着する際の不快感や痛みを軽減することができます。

ニッケル-チタン形状記憶合金で作られた血管疾患用の医療器具には、多くの利点があります。

例えば、形状記憶合金製の血管塞栓除去ナイフは、低温で加工して円筒形にすることができる。

患者の血管に挿入して体温まで加熱すると、ナイフの刃は形状記憶効果により自動的に平らになり、回転させることで血管塞栓や沈着物を除去することができる。

医療専門家たちは、形状記憶合金ワイヤーと銀ワイヤーを組み合わせたクランプを使った脳動脈瘤摘出手術にも成功している。

3.家電製品への使用

形状記憶合金は、食品加熱器、エアコン、炊飯器などの家電製品にも広く使われている。

日本のシャープ株式会社は、食品加熱器のマイクロ波加熱と対流加熱の間の変換を制御するために形状記憶合金部品を使用し、加熱器の体積と重量を大幅に削減し、コストを3分の2に削減した。

パナソニック株式会社は、形状記憶合金を使用して、風向変換装置を備えた兼用エアコンを製造している。

風向は敏感に変化する。風温が32～37℃の間は下向きに吹き、風温が25～32℃に下がると自動的に水平方向に吹くように変化する。

この装置は安定性が高く、軽量、低コストで、風扉起動時の騒音もなく、ユーザーに好評だ。形状記憶合金は、電気炊飯器のサーモスタットにも広く使われている。

温度が上昇すると、自動的に回路を開いて切断する。温度があるレベルまで下がると、電源を再接続し、自動的に温度を維持する。

III.形状記憶合金は実用化に向けて前進している

近年、さまざまな形状記憶合金を使った「記憶」製品が市場を席巻し始め、日常生活に入り込む「記憶」アイテムが増えている。形状記憶合金の応用は、実用化に向けてさらに進んでいる。

日本の日用品メーカーが製造した "形状記憶 "ブラジャーは、発売後すぐに女性たちの支持を得た。このブラジャーは、細くて柔らかいニッケル・チタン形状記憶合金ワイヤーでできており、従来のブラジャーよりも軽く、柔らかく、伸縮性に富み、快適である。

洗濯して変形しても、体温感知で元の形に戻るのが最大の利点だ。

日本の古河電気工業株式会社は、レンズの伸縮に応じて形状が変化し、レンズとの密着性を維持する形状記憶合金のメガネフレームを製造している。同社はまた、形状記憶合金のユニークな特性を利用して髪型を変えられる人形も製造している。

人形の髪の毛は銅ベースの形状記憶合金ワイヤーでできており、温度変化で髪型を変えることができるため、子供たちに大人気だ。

日本の靴メーカーが、形状記憶合金を使用した世界初の革靴を発表した。この革靴は柔らかく履き心地が良いだけでなく、靴の変形を効果的に防ぐ。

エネルギー開発は、形状記憶合金の重要な応用分野である。熱したり冷やしたりすると形状が変化する形状記憶合金の特性を利用すれば、廃熱、地熱、太陽エネルギーなどの低品位熱エネルギーを直接機械的エネルギーに変換して利用することができる。

この原理に基づき、数多くの熱エンジンの開発に成功し、熱エンジンの小型化と可搬性を加速させてきた。