形状記憶合金の応用例
2. 形状記憶合金の応用例
2.1 形状記憶効果の応用
(1)形状記憶ばね
形状記憶効果の応用製品としては、Ni-Ti合金製のばねを温度検知素子兼アクチュエーターとして使用するコイルばねが代表的である。ばね形状にして形状回復温度、すなわち、変態温度以上になればセンサー機能が働き、同時にアクチュエーターとして駆動力が発生することを利用する。図7 のようにバイアスばねと組み合わせることで温度が下がればバイアスばねの力が勝り、もとに戻る。つまり温度に対し二方向性の動作を得られるのである。このように、センサーとアクチュエーターを兼ねるため、シーケンサー、配線、モーター、センサー、電源等の部品が必要なくなり、信頼性向上、省スペース化、軽量化、コストダウンが可能となる。
なお、形状記憶合金は特殊な形状記憶・変形処理によって、図7に示すようにばね自身に二方向性を付与できるが、特性面の制約から、ほとんど実用化されていない。
図7 バイアス式ニ方向素子の原理
図8 一方向性
図8 ニ方向性
NiTi合金のばねは、温度により横弾性係数Gが変化するが、発生力自体は一般のばねと同様にフックの法則とコイルばねの発生力計算式で図8のように計算できる。温度を変化させて発生力曲線から温度-横弾性係数の変化曲線を算出すれば、その値を使って任意の形状記憶ばねの計算ができ、そのばねとバイアスと組み合わせたばねユニットが設計できる。形状記憶ばねは、温度の降温時と昇温時で発生力差（ヒステリシス）を生じるが、合金、材質、熱処理によりある程度調整が可能である。
(2)通電アクチュエータ
形状記憶効果の応用例として、通電型アクチュエータも実用化が進んでいる。形状記憶効果とNiTi合金の電気抵抗値が高いことにより、通電すると自己発熱し、元にもどることを利用している。実用化されているものは線径0.1mm前後の比較的細いワイヤが多い。線径が太いと、電流が大きくなること、冷却時間がかかるという欠点があるためである。耐久性を考慮して過熱や、応力、歪みを最適化する必要がある。
2.2 超弾性の応用
(1)超弾性の特徴
超弾性合金は、図10に見られるような応力-ひずみ特性を示す。特性を列記すると、以下のようになる。
①8%程度もの大きなひずみが、元に戻る
②降伏応力が比較的高く、その点でのひずみが大きい(1%を越えることもある)
③弾性係数が小さい(40～80GPa)
④除荷時の応力が一定である範囲が広い(4～7%)
⑤負荷時と除荷時の応力差(応力ヒステリシス)は、合金、加工熱処理によりある程度調整できる。
実用化されている形状記憶効果の応用例よりも超弾性応用製品は圧倒的に多く、曲げても元にもどる性質が様々な分野で利用されてきた。最近ではガイドワイヤ、チューブからレーザーカットで加工するステント等の医療デバイスに応用され、さらに新規デバイスへの開発も数多く実施されている。
図10
(2)超弾性の機械的特性評価
ASTM F 2516で超弾性の引張試験で定義されているSSカーブの各特性を以下の図11に示す。
図11 SSカーブの各特性(ASTM F 2516）
(3)超弾性特性の製品での変態温度の評価方法
形状記憶、超弾性合金の変態温度は前述のようにDSCで鋳塊、最終製品で温度変化時の相変態を熱量変化を測定することで測定できる。一方、温度変化に伴う形状変化を測定する方法も一般的で、ASTMでもF2082にBFR（Bending Free Recovery）方式として図12のように定義されている。BFRは機械的な測定なので、実際のデバイスの動作に近いことや、測定のしやすいことから、使われることも多くなっている。
図12a BFR measurement model
図12b BFRチャート M相→オーステナイト相
図12c BFRチャート M相→R相→オーステナイト相
(4)DSCとBFRの差
前述のようにDSCは相変態の熱量の測定、BFRは機械的な変形測定なので、図13のように差がでることが多い。
図13 DSCとBFRの比較
(5) 超弾性特性の環境温度による変化
超弾性は環境温度に依存して変化する。図14にNT-Nの超弾性ワイヤ（40%冷間加工後、500℃の熱処理を行ったもの）の環境温度によるSSカーブを、機械特性の変化を図15に示す。環境温度が上昇するとUPSが直線的に上昇する。これはクラウジウス-クラペイロン(Clausius-Clapeyron)の関係として、熱力学的に証明されている。デバイスの設計時には注意が必要である。
図14 環境温度によるSSカーブの変化
図15 環境温度による超弾性機械的特性の変化
(6)超弾性特性の熱処理による変化について
“熱処理温度と熱処理時間で、製品の変態温度は変化する。NT-N ワイヤに冷間加工率40%で伸線後、熱処理を行った時の変態温度の変化を以下の図16ａ、bに示す。後述するR相変態の影響もあり、結構複雑に変化する。
また、同じワイヤの機械的特性（SSカーブ）を図16c、dに示す。”
図16a 熱処理温度による変態温度（DSC）の変化
図16b 熱処理時間による変態温度（DSC）の変化
図16ｃ熱処理温度による機械的特性の変化
図16ｄ熱処理時間による機械的特性の変化
(7)超弾性の耐久性評価
超弾性の応用では、静的な特性を活用する他に、繰り返しの変形特性が要求されることが多い。図17に引張り変形時の疲労寿命のデータの一例を示した。繰り返しの応力が降伏点を越えて、応力誘起変態のおこる範囲では寿命は高々104回である。図で直線の折れ曲がり点は応力誘起がおこる降伏応力に相当する。この降伏点を境にして変形の様式が変わると考えられている。応力的には降伏点を高くして、それ以下の応力で使えば高寿命の材料である。
