形状記憶合金 – HiSoUR 芸術文化美術歴史

形状記憶合金（Shape-memory alloy SMA、スマートメタル、記憶金属、記憶合金、マッスルワイヤー、スマート合金）は、その元の形状を「覚えている」合金であり、変形すると加熱時に変形前の形状に戻る。この材料は、油圧、空気圧、およびモーターベースのシステムなどの従来のアクチュエータに代わる、軽量でソリッドステートの代替品です。形状記憶合金は、ロボット工学、自動車、航空宇宙および生物医学産業に応用されています。

概要
2つの最も一般的な形状記憶合金は銅 – アルミニウム – ニッケルおよびニッケル – チタン（NiTi）合金であるが、SMAは亜鉛、銅、金および鉄を合金化することによっても作製することができる。 Fe-Mn-Si、Cu-Zn-AlおよびCu-Al-Niなどの鉄系および銅系SMAは市販されており、NiTiよりも安価であるが、NiTi系SMAは、実用性と優れた熱機械性能を備えています。 SMAは、3つの異なる結晶構造（すなわち、双晶マルテンサイト、ドウェインされたマルテンサイトおよびオーステナイト）および6つの可能な変形を有する2つの異なる段階で存在することができる。

冷却時にNiTi合金がオーステナイトからマルテンサイトに変化する。 Mfは、冷却時にマルテンサイトへの遷移が完了する温度である。したがって、加熱中、AsおよびAfは、マルテンサイトからオーステナイトへの変態が開始および終了する温度である。形状記憶効果の繰り返し使用は、特性変態温度のシフトにつながる可能性がある（この効果は、材料の微細構造および機能特性の変化と密接に関係するので、機能的疲労として知られている）。 SMAがもはや応力誘起されない最高温度は、SMAが永久変形するMdと呼ばれる。

マルテンサイト相からオーステナイト相への遷移は、拡散が関与しないので、ほとんどの相変化があるので、時間ではなく温度および応力にのみ依存する。同様に、オーステナイト構造は、同様の構造の鋼合金からその名称を受け取る。特殊な特性をもたらすのは、これらの2つの相の間の可逆拡散なし遷移である。マルテンサイトは、炭素鋼を急冷することによってオーステナイトから形成することができるが、このプロセスは可逆的ではないので、鋼は形状記憶特性を持たない。

ξ（T）はマルテンサイト分率を表す。加熱遷移と冷却遷移との間の相違は、機械エネルギーの一部がプロセス中で失われるヒステリシスを生じさせる。曲線の形状は、合金化のような形状記憶合金の材料特性に依存する。加工硬化させる。

使用可能なエフェクト
形状記憶合金は、数十万回の運動に顕著な疲労なく非常に大きな力を伝達することができます。他のアクチュエータ材料と比較して、形状記憶合金は、はるかに特定の加工能力（材料体積に対する加工比）を有する。形状記憶素子は、数百万サイクル動作することができる。しかしながら、サイクル数が増加すると、形状記憶要素の特性は、例えば、変換後に残留歪みのままである可能性がある。

原理的には、全ての形状記憶合金は全て形状記憶効果を発揮することができる。それぞれの所望の効果は、製造および材料技術の課題であり、動作温度の調整および効果サイズの最適化によって訓練されなければならない。

一方向と2方向の形状記憶
形状記憶合金は形状記憶効果が異なる。 2つの一般的な効果は、一方向および双方向形状記憶である。効果の概略を以下に示します。

手順は非常に似ています：マルテンサイトから出発して、一方向効果のための可逆的変形を加えるか、または双方向の不可逆的な量のひどい変形を加え、サンプルを加熱し、再び冷却します。

一方向メモリ効果
形状記憶合金が冷たい状態（As以下）にあるとき、金属は曲げられたり伸びたりして、転移温度以上に加熱されるまでその形状を保持する。加熱すると、形状は元の形状に変化する。金属が再び冷えると、再び変形するまで熱い形状にとどまる。

一方向効果により、高温からの冷却は巨視的な形状変化を引き起こさない。低温形状を作るためには変形が必要です。加熱時、変態はAsで開始し、Afで完了する（典型的には合金または負荷条件に応じて2〜20℃またはそれ以上）。合金の種類および組成によって決定され、-150℃〜200℃の間で変動し得る。

双方向メモリ効果
2方向の形状記憶効果は、材料が2つの異なる形状を記憶するという効果である：1つは低温で、もう1つは高温形状である。加熱と冷却の両方の間に形状記憶効果を示す材料は、双方向形状記憶を有すると言われている。これは、外力を加えなくても得ることができます（本来の2元効果）。このような状況で材料が異なる動作をする理由は、トレーニングにあります。トレーニングとは、形状記憶が特定の方法で動作するように「学習」できることを意味します。通常の状況下では、形状記憶合金はその低温形状を「記憶」するが、高温形状を回復するために加熱するとすぐに低温形状を「忘れる」。しかし、それは、高温段階で変形された低温状態のいくつかのリマインダーを残すために “覚え”て “訓練される”ことができる。これを行うにはいくつかの方法があります。ある点を超えて加熱された、訓練された形状の物体は、双方向記憶効果を失う。

擬似弾性挙動（「超弾性」）
形状記憶合金では、通常の弾性変形に加えて、外力による形状の可逆的な変化が観察される。この「弾性」変形は、従来の金属の弾性を20倍まで超えることができる。しかしながら、この挙動の原因は、原子の結合力ではなく、材料内の相転移である。材料はオーステナイト構造を有する高温相に存在しなければならない。外部応力下では、正方晶系の面心立方体のオーステナイトは、周囲に歪んだ（体心立方体または立方体歪み格子）マルテンサイト（応力誘起マルテンサイト）を歪ませた。排出されると、マルテンサイトはオーステナイトに戻る。各原子は変換中にその隣接原子を保持するので、拡散なし相変換とも呼ばれる。したがって、その性質は偽弾性挙動と呼ばれます。内部の張力によって元の形状に戻ったときに材料が戻る。これには温度変化は必要ありません。

SMAはまた超弾性を示すが、これは比較的大きなひずみが回復することによって特徴づけられるが、あるものの散逸はある。温度誘起相変態に加えて、マルテンサイトおよびオーステナイト相は、機械的応力に応答して誘導され得る。 SMAがオーステナイト相（すなわちある温度より上）に充填されると、臨界応力に達すると、材料は（双晶）マルテンサイト相に変態し始める。連続的な負荷と等温条件を仮定すると、（双晶の）マルテンサイトが始まり、材料が塑性変形を受けることを可能にする。塑性の前にアンローディングが起こると、マルテンサイトはオーステナイトに戻り、ヒステリシスを発生させることによって材料が元の形状に戻る。例えば、これらの材料は非常に高い歪み（最大7％）に可逆的に変形することができます。 Shaw＆Kyriakidesの実験的研究によって、そして最近ではMaらによって、擬弾性挙動のより詳細な議論が提示されている。

歴史
形状記憶効果の発見に向けて最初に報告されたステップは、1930年代に行われた。 Otsuka and Waymanによると、ArneÖlanderは1932年にAu-Cd合金の擬弾性挙動を発見した.Greninger and Mooradian（1938）はCu-Zn合金の温度を下げて上昇させることによってマルテンサイト相の形成と消失を観測した。マルテンサイト相の熱弾性挙動によって支配される記憶効果の基本的な現象は、10年後にKurdjumov and Khandros（1949）、Chang and Read（1951）によって広く報告された。

ニッケル – チタン合金は、1962年〜1963年に米国海軍兵器研究所によって最初に開発され、商品名Nitinol（ニッケルチタン海軍兵器研究所の頭字語）で商品化された。彼らの注目すべき特性は偶然発見された。実験室管理会議で何度も曲げられたサンプルが何度も曲げられました。関連技術責任者の一人であるDavid S. Muzzey博士は、試料が熱にさらされ、パイプがその下に軽く置かれた場合に何が起こるかを知ることにしました。みんなの驚きに、サンプルは元の形に引き伸ばされました。

強い磁場のもとで形状が変化する、強磁性形状記憶合金（FSMA）と呼ばれる別のタイプのSMAがある。これらの材料は、磁気応答が温度誘起応答よりも速く、より効率的である傾向があるので、特に重要である。

金属合金だけが熱応答材料ではありません。形状記憶ポリマーも開発され、1990年代後半に商業的に入手可能となった。

結晶構造
多くの金属は同じ組成でいくつかの異なる結晶構造を持っていますが、ほとんどの金属はこの形状記憶効果を示さない。形状記憶合金が加熱後に元の形状に戻ることを可能にする特別な特性は、その結晶変形が完全に可逆的であることである。大部分の結晶変態では、構造中の原子は拡散によって金属を通って移動し、全体として金属が同じ原子から作られているにもかかわらず、組成を局所的に変化させる。可逆的な変換は原子の拡散を伴わず、代わりに2つの反対側を押すことによって平行四辺形を作ることができるように、すべての原子が同時にシフトして新しい構造を形成する。異なる温度では、異なる構造が好ましく、構造が遷移温度によって冷却されるとき、マルテンサイト構造はオーステナイト相から形成される。

磁気形状記憶合金
上記の熱励起磁性合金に加えて、磁気的に励起された形状の変化を示す形状記憶合金（例えば、磁気形状記憶合金、MSMA）が存在する。この場合、外部磁場の適用を通って移動し、双子境界と形状と長さの変化があります。このような合金の長さの達成可能な変化は、（磁歪材料とは対照的に）比較的小さな転写可能な力では、現在のところ10％までの範囲にある。

製造
形状記憶合金は、典型的には、真空アーク溶融または誘導溶融を用いて鋳造により製造される。これらは、合金中の不純物を最小限に抑え、金属が十分に混合されていることを保証するために使用される専門技術です。その後、インゴットを熱間圧延してより長いセクションにした後、線引きしてワイヤにする。

合金が「訓練されている」方法は、所望の特性に依存する。「トレーニング」は、合金が加熱されたときに記憶する形状を決定する。これは、転位が安定した位置に再配列するが、材料が再結晶するほど熱くならないように、合金を加熱することによって起こる。それらを400℃〜500℃の間で30分間加熱し、熱いうちに成形し、次いで水中での急冷または空気冷却により急冷する。

プロパティ
銅ベースおよびNiTiベースの形状記憶合金は、工学的材料と考えられている。これらの組成物は、ほぼ任意の形状およびサイズに製造することができる。

形状記憶合金の降伏強度は従来の鋼の降伏強度よりも低いが、組成物によっては、プラスチックまたはアルミニウムよりも高い降伏強度を有するものもある。 Ni Tiの降伏応力は500MPaに達することがあります。高価な金属そのものと処理要件により、SMAを設計に実装するのが困難で高価になります。結果として、これらの材料は、超弾性特性または形状記憶効果が利用され得る用途において使用される。最も一般的なアプリケーションは起動中です。

形状記憶合金を使用する利点の1つは、誘導可能な回復可能な塑性ひずみの高いレベルである。これらの材料が恒久的な損傷なしに保持できる最大回復可能な歪みは、一部の合金では最大8％です。これは、従来の鋼の最大歪み0.5％と比較されます。

実用上の制限
SMAには、従来のアクチュエータに比べて多くの利点がありますが、実際の適用を妨げる可能性のある一連の制限があります。多くの研究では、材質や設計知識の欠如、不適切な設計手法や使用されている手法などの関連ツールが原因で、特許取得済みの形状記憶合金アプリケーションのほんのわずかが商業的に成功していることが強調されました。 SMAアプリケーションの設計における課題は、使用可能な歪みが少なく、作動周波数が低く、制御性が低く、精度が低く、エネルギー効率が低いなど、限界を克服することです。

応答時間と応答対称性
SMAアクチュエータは、典型的には、電流がジュール加熱を生じる電気的に作動される。失活は、通常、周囲環境への自由対流熱伝達によって起こる。その結果、SMA作動は、典型的には非対称であり、比較的速い作動時間および緩慢な作動停止時間を伴う。強制対流を含むSMA失活時間を短縮し、熱伝達率を操作するためにSMAを導電性材料で遅らせるための多くの方法が提案されている。

SMAアクチュエータの実行可能性を向上させる新規の方法には、導電性の「遅れ」の使用が含まれる。この方法は熱伝導ペーストを使用して伝導によって熱をSMAから迅速に伝達する。この熱は、外側の半径（および伝熱面積）が裸線よりもかなり大きいため、対流によって環境により容易に伝達されます。この方法は、失活時間および対称活性化プロフィールの有意な減少をもたらす。増加した熱伝達率の結果として、所与の作動力を達成するのに必要な電流が増加する。

構造的疲労および機能的疲労
SMAは、構造的疲労の影響を受けます。これは、サイクル荷重がクラックの開始と伝播をもたらし、最終的には破損による機能の壊滅的損失をもたらす破壊モードです。この疲労モードの背後にある物理学は、周期的負荷中の微細構造損傷の蓄積である。この故障モードは、SMAだけでなく、ほとんどの工学用材料に見られます。

SMAはまた、ほとんどの工学材料では典型的ではない故障モードである機能的疲労の影響を受け、それによってSMAは構造的には機能しないが、時間の経過とともに形状記憶/超弾性特性を失う。周期的負荷（機械的および熱的の両方）の結果、材料は、可逆的相変態を受ける能力を失う。例えば、アクチュエータの作動変位は、サイクル数が増加するにつれて減少する。この背後にある物理学は、微細構造の緩やかな変化、より具体的には、収容スリップ転位の蓄積である。これはしばしば変態温度の顕著な変化を伴う。 SMAアクチュエータの設計は、SMAプーリシステムのプーリ構成など、SMAの構造的疲労と機能的疲労の両方に影響を与える場合もあります。

意図しない作動
SMAアクチュエータは、通常、ジュール加熱によって電気的に作動される。周囲温度が制御されていない環境でSMAを使用すると、周囲温度による意図しない動作が発生することがあります。

アプリケーション

産業

航空機および宇宙船
ボーイング、ジェネラルエレクトリック航空機エンジン、グッドリッチコーポレーション、NASA、テキサスA＆M大学、全日本空輸では、NiTi SMAを使用して可変形状シェブロンを開発しました。そのような可変面積ファンノズル（VAFN）設計は、今後より静かでより効率的なジェットエンジンを可能にする。 2005年と2006年に、ボーイング社はこの技術の飛行試験に成功しました。

SMAは、打ち上げ用車両および市販のジェットエンジン用の振動ダンパーとして研究されている。超弾性効果の間に観察される大量のヒステリシスは、SMAがエネルギーを散逸させ、振動を減衰させることを可能にする。これらの材料は、市販のジェットエンジンのファンブレードだけでなく、打ち上げ時のペイロードの高い振動負荷を低減し、より軽量で効率的な設計を可能にすることを約束しています。 SMAは、ボールベアリングや着陸装置などの他の高衝撃用途にも使用されます。

市販のジェットエンジンの様々なアクチュエータ用途にSMAを使用することにも強い関心が寄せられており、重量を大幅に低減し、効率を高めることができます。しかし、変態温度を高め、これらの材料の機械的特性を改善してうまく実装するためには、この分野でさらなる研究を行う必要があります。高温形状記憶合金（HTSMA）の最近の進歩の概説は、Ma et al。

様々なウイングモーフィング技術も探求されている。

自動車
最初の大量生産品（> 5Mioアクチュエータ/年）は、腰部サポート/ボルスタの輪郭を調整するカーシートの低圧空気圧ブラダーを制御するために使用される自動車バルブです。このアプリケーションで従来使用されていたソレノイド（SMA /ウェイト/フォームファクタ/消費電力の低減）に対するSMAの全体的なメリットは、旧標準技術をSMAに置き換える決定の重要な要素でした。

2014シボレーコルベットは、SMAアクチュエータを組み込んだ最初の乗り物になりました。これは、より重い電動アクチュエーターを交換して、トランクから空気を放出するハッチベントを開閉し、閉めるのを容易にしました。排熱から発電する発電機や様々な速度で空気力学を最適化するオンデマンドエアダムなど、さまざまな用途もターゲットにしています。

ロボット工学
非常に軽量のロボットを作成することが可能になるので、ロボット工学におけるこれらの材料、例えば愛好家ロボットStiquito（および “Roboterfrau Lara”）の使用に関する限られた研究も存在する。最近、Lohらによって人工装具が導入された。人間の手の動きをほぼ再現することができる[Loh2005]。他の生体模倣用途も探求されている。この技術の弱点は、エネルギーの非効率性、応答時間の遅さ、ヒステリシスの大きさです。

バイオエンジニアリングロボットハンド
形状記憶効果（SME）を使用して指を動かす、ロボットハンドのいくつかのSMAベースプロトタイプがあります。

土木構造物
SMAは、橋や建物などの土木構造物にさまざまな用途を見出しています。このようなアプリケーションの1つに、SMAワイヤをコンクリート内に埋め込んだインテリジェント鉄筋コンクリート（IRC）があります。これらのワイヤは、亀裂を感知し、収縮してマクロサイズの亀裂を治癒することができる。もう1つのアプリケーションは、振動を減衰するためにSMAワイヤを使用して構造固有周波数をアクティブに調整することです。

配管
最初の消費者向けの商用アプリケーションは、産業用の油管管、水道管および民生用/商用用途向けの同様のタイプの配管のような配管用の形状記憶結合であった。

通信
第2の大容量アプリケーションは、スマートフォン用のオートフォーカス（AF）アクチュエータであった。現在、SMA製のワイヤで駆動される光学式手ブレ補正（OIS）モジュールに取り組んでいるいくつかの企業があります

医学
形状記憶合金は、整形外科手術における骨切り術のための固定装置、歯に一定の歯の移動力を及ぼす歯科用矯正装置、およびカプセル内視鏡では生検作用の引き金として使用することができる。

1980年代後半には、低侵襲の血管内医療アプリケーションの多くで、ニチノールを商業的に導入する技術が実現しました。ステンレス鋼よりも高価であるが、BTR（体温応答）に製造されたニチノール合金の自己拡張特性は、ステントグラフトにおけるバルーン拡張可能デバイスの魅力的な代替物を提供し、体温に曝される。現在、世界市場で入手可能な末梢血管ステントの50％は、ニチノールで製造されています。

検眼
チタン含有SMAから製造された眼鏡フレームは、商標FlexonおよびTITANflexとして市販されている。これらのフレームは、通常、予想される室温よりも低い温度に設定された形状記憶合金で作られています。これにより、フレームが応力下で大きな変形を受けるが、金属が再度アンロードされると、意図された形状に戻る。非常に大きな弾性歪みは、応力によって誘起されるマルテンサイト効果によるものであり、結晶構造が負荷のもとで変形し、その形状が負荷の下で一時的に変化することができる。これは、形状記憶合金で作られた眼鏡が、偶発的な損傷に対してより堅牢であることを意味する。

整形外科
メモリメタルは、典型的には下肢手術用の骨切り術のための固定 – 圧縮装置として整形外科手術に利用されている。装置は、通常、大きなステープルの形態で、その可鍛性の形態の冷蔵庫に保管され、骨切り術を通って骨の予め穿孔された穴に移植される。ステープルが温まると、それは非可鍛性状態に戻り、骨の表面を圧縮して骨の結合を促進する。

歯科
SMAの適用範囲は長年にわたり拡大しており、主な開発分野は歯科分野です。 1つの例は、歯に一定の歯の移動力を及ぼすためにSMA技術を使用する歯科装具の普及率である。ニチノールアーチワイヤは1972年に矯正歯科医George Andreasenによって開発されました。これは臨床歯科矯正に革命をもたらしました。 Andreasenの合金は、その幾何学的プログラミングのために与えられた温度範囲内で膨張および収縮するパターン化形状記憶を有する。

Harmeet D. Waliaはその後、歯内治療の根管ファイルの製造にこの合金を利用しました。

エッセンシャル・トレモア
振戦軽減のための従来のアクティブキャンセル技術は、電気、油圧、または空気圧システムを使用して、妨害と反対の方向に物体を作動させる。しかし、これらのシステムは、人間の振戦周波数で大きな振幅の電力を生成するために必要な大きなインフラストラクチャのために制限されています。 SMAはハンドヘルドアプリケーションの有効な作動方法であることが実証されており、新しいクラスの能動的な振戦除去装置が可能になっています。このようなデバイスの最近の例の1つは、Verily Life Sciencesの子会社であるLift Labsによって開発されたLiftwareスプーンです。

エンジン
1970年代から、Ridgway Banksによって開発されたBanks Engineを含む、冷温水溜めの比較的小さな温度差から作動する、固体の固体熱機関が開発された。

工芸
アタッチメントフリーのブレスレットに使用するために小さな丸い長さで販売されています。

材料
極低温材料とも呼ばれる形状記憶合金として主に使用される材料は、NiTi（ニッケル – チタン、ニチノール）であり、さらに優れた特性を有するNiTiCu（ニッケル – チタン – 銅）である。両方ともアクチュエータ材料として使用される可能性が最も高い。正確な化学量論（定量比）から、変態温度は依存する。 50原子パーセント未満のニッケル含有量では、約100℃である。合金のニッケル含有量が変化すると、室温でオーステナイトまたはマルテンサイトとしての擬似弾性または擬塑性挙動を生成することが可能である。

他の銅系材料は、CuZn（銅 – 亜鉛）、CuZnAl（銅 – 亜鉛 – アルミニウム）およびCuAlNi（銅 – アルミニウム – ニッケル）である。彼らは安いですが、彼らは両方とも転移温度が高く、形状記憶が貧弱です。それらは医療技術において特に使用されている。 FeNiAl（鉄 – ニッケル – アルミニウム）、FeMnSi（鉄 – マンガン – シリコン）およびZnAuCu（亜鉛 – 金 – 銅）はそれほど一般的ではありません。

様々な合金が形状記憶効果を示す。合金化成分は、SMAの変態温度を制御するように調節することができる。いくつかの一般的なシステムには以下のものが含まれます（決して網羅的なリストではありません）。

Ag-Cd 44/49 at％Cd
Au-Cd 46.5 / 50at。％Cd
Cu-Al-Ni14 / 14.5重量％Alおよび3 / 4.5重量％Ni
Cu-Al-Ni-Hf
Cu-Sn約 15at％Sn
Cu-Zn38.5 / 41.5重量％Zn
Cu-Zn-X（X = Si、Al、Sn）
Fe-Pt約 25at。％Pt
Mn-Cu5 / 35at％Cu
Fe-Mn-Si
Co-Ni-Al
Co-Ni-Ga
Ni-Fe-Ga
Ti-Nb
Ni-Ti約。 55~60重量％のNi
Ni-Ti-Hf
Ni-Ti-Pd
Ni-Mn-Ga