2017年版8月9日は形状記憶合金の日。由来や原理、使われ方などを紹介

こんにちは、ヒロです。
8月9日は形状記憶合金の日です。
形状記憶合金について知らない人はそんなにいないかもしれませんが、仕組みや使われ方まで詳しく知ってる方は少ないですよね。是非そういうところを見て行きましょう。

形状記憶合金の日とは？

1982年のこの日、ベルギーで東北大学のグループが形状記憶合金を発表した。

形状記憶合金とは？

変形を加えた後，それをある温度以上に加熱すると，一瞬にして変形前の形状に復帰する合金。実用化されている合金には，ニッケル-チタン合金，銅-アルミニウム-ニッケル合金，銅-亜鉛-アルミニウム合金 (ベータロイ) があり，いずれも熱的に可逆的な変化を示す相転移 (相変態，マルテンサイト変態と呼ぶ) を利用している。

形状記憶合金の基礎

｜形状記憶合金とは？

　　普通の金属材料は、外から大きな力を加えると変形前の形に戻ることはありません。このような性質を利用して私たちは今日、金属を自由な形に変形して利用しています。ところが、ある種類の金属材料では、変形後にある一定の温度以上に加熱すると元の形状に回復する性質をもつ合金があります。これが元の形状を記憶している合金という意味で、「形状記憶合金」と呼ばれ、この現象を「形状記憶効果」と呼んでいます。最近はブラジャーなどによく使われています。また、変形後に力をはなすだけで瞬時に元の形状に回復する性質をもつ合金もあります。これを「超弾性合金」と呼び、携帯電話のアンテナやメガネのフレームなどによく使われています。

｜形状記憶合金の歴史とこれから

　　形状記憶効果は、1951年に米国コロンビア大学のReadらによって、Au-Cd（金－ｶﾄﾞﾆｳﾑ）合金において最初に見出されたことに始まり、1963年にTi-Ni（チタン－ニッケル）合金、1970年代はじめにCu-Al-Ni（銅－アルミニウム－ニッケル）合金において、明らかにされました。超弾性は、それより前の1932年Olanderによって、同じAu-Cd合金において見つけられました。このような興味のある現象を起こす形状記憶合金は、この性質を利用した様々な機能性金属材料としての応用製品が考えられています。たとえば、人工臓器、整形外科、歯科矯正などの医療分野、携帯電話のアンテナ、温度制御のアクチュエーター、パイプの継手、メガネのフレームなどの工業分野、また、熱エネルギーを機械的エネルギーに変換する熱エンジンなどのエネルギー分野などがあります。現在、これらの応用製品はTi-Ni合金系が主に利用されており、これまで以上にこの形状記憶効果を利用する製品を広げることが今後の課題であります。ぜひ、２１世紀をになう子供たちが形状記憶合金に興味を持ち、いろいろなアイディアが出てくることを楽しみにしています。

｜形状記憶効果のメカニズム

原子の配列により性質は変わる

　　金属は、原子配列の仕方、すなわち結晶構造が変化すること性質が変化します。金属では、結晶構造が変わることを「相変態」と呼んでいます。相変態の身近な例をあげると、私たちが生きていくに必要な水も相変態が起きています。水は固体（氷）、液体（水）および気体（水蒸気）の３つの状態に変化し、０℃で固体（氷）から液体（水）へ、100℃で液体（水）から気体（水蒸気）へ変化します。このように状態が変化することを相変態といい、状態が変化する温度を変態点（変態温度）と呼びます。

温度の変化により原子の配列が変わる

　　金属を変形しても元の形状にもどる現象、すなわち形状記憶効果は、金属の相変態のマルテンサイト変態に深い関係があります。形状記憶合金は、温度を冷却していくとマルテンサイト変態という相変態がおき、高温のオーステナイト相（母相）から冷却して、ある温度（マルテンサイト変態開始温度；Ms点）を通過するとマルテンサイト変態してオーステナイト相からマルテンサイト相に変化します。この変化は、肉眼では大きな形状変化はありません。次に、このマルテンサイト相を加熱すると、ある温度（オーステナイト変態開始温度；As点）から逆変態が始まり、マルテンサイト相からオーステナイト相に変化します。このマルテンサイト相は、オーステナイト相に比べて非常に柔らかいため変形がしやすく手で折り曲げることができます。

　

原子の結合の手がポイント

　　通常の金属材料は、外から大きな力を加えて変形させると、金属原子が隣の原子との結合の手を切り離して次の原子と結合の手を結びながら変形していきます。そのため、元の形状に戻そうと思っても結合の手がいったん切れてしまっているため、元の形状に戻ることはできません。一方、形状記憶合金は変形しやすいマルテンサイト相で変形すると、金属原子の結合の手を切り離さず他の原子と一緒に位置を少しずつずらしながら変形の方向に変形するため、結合の手が切れていません。そのため、加熱してオーステナイト相に逆変態させると、結合の手が元の位置に戻ろうとして変形前の形状に戻ることができるのです。

身近な使用例

調査して追記します。
私が知っている身近な使用例は、電気ケトルでしょうか？昔、電気ケトルが壊れた時に分解したことがあるのですが、スイッチ部分に形状記憶合金が入ってました。

電気ケトルの流れ

電気ケトルに水を入れる。

スイッチをいれる
→この時形状記憶合金を押し込む

通電する

水が温まり始める

水と同時に形状記憶合金も温度が上がる。

形状記憶合金がある温度に達した時、形状が戻りスイッチを切る。

こんな流れになっていました。

電子レンジのように時間ではなく温度で管理している典型的な例です。

まとめ

形状記憶合金について少しはわかったのではないでしょうか？もっと身近にあるかもしれません是非探してみてください。面白いですよ。







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