形状記憶合金について
形状記憶合金って、なに？
最初針金は「いぬ」や「ひこうき」の形をしているけど指で広げると「まる」の形になっちゃったね。でも「まる」になったものが、ぱっと元の「いぬ」や「ひこうき」の形に戻ったね。じつは容器の中にはお湯が入っていて、温める事で元の形に戻ったんだよ。この針金は「いぬ」や「ひこうき」の形を記憶しているんだ。こういう針金のような材料を「形状記憶合金」っていって、こういう性質を「形状記憶特性(けいじょうきおくとくせい)」っていうんだよ。
この材料は「変態点（へんたいてん）」という、金属を作っている材料の原子の並び方がかわる温度があって、それより温度が高いときと低いときで大きく性質がかわるんだ。変態点より低いときはやわらかい並び方(マルテンサイト)になって、変態点より高いときはかたい並び方(オーステナイト)になるんだ。ふつうの金属と違って、並び方が変わっても原子のつながりは切れていないよ。さっきの動画の材料は変態点が60℃くらいになっているから部屋の温度ではやわらかい並び方になって、指でひろげたらひろがったままだったんだけど、お湯の中ではかたい並び方にもどって元の形に戻ったんだよ。
※TiNi形状記憶合金には4つの変態点があります。
As：マルテンサイトからオーステナイトにかわり始める温度
Af：マルテンサイトがオーステナイトに完全にかわり終わる温度
Ms：オーステナイトからマルテンサイトにかわり始める温度
Mf：オーステナイトがマルテンサイトに完全にかわり終わる温度
さっきの動画は変態点が60℃くらいの材料だったけれど、これが0℃くらいの材料だったらどうだろう、部屋の温度で形を変えようとするとどうなるかな？部屋の温度が変態点より高いからかたい並び方になっているんだけど、形状記憶合金は温度だけでなく力によっても原子の並び方が変わるんだ。どんどん力を加えていくと途中(降伏点)から原子の並び方をかたい並び方からやわらかい並び方に変えるんだ。そのとき、熱を発生しながら一定の力でどんどん形をかえていくよ。原子がぜんぶやわらかい並び方にかわっても力をかけ続けると原子のつながりが切れてしまって元の形に戻らなくなってしまうけど、そうなる前に力を抜いていくとまた原子がやわらかい並び方からかたい並び方へ変わって、元の形まで戻るんだ。そのときはさっきと逆で熱を吸収しながら戻るよ。この性質を「超弾性(ちょうだんせい)」っていうんだ。だいたいバネに使っているステンレスの10倍くらい曲げてもくせがつかないよ。
形状記憶合金は「形状記憶特性」と「超弾性」という2つのおもしろい特徴があるよ。簡単に言うと「あたためると元の形に戻る」性質と、「大きく曲げても元の形に戻る」性質で、全然ちがう性質に思えるけど、どちらも原子の並び方が変わる事によって起きていて、それを熱を加えて起こすか、力を加えて起こすかの違いだけなんだ。ちなみに吉見製作所で扱っている形状記憶合金はチタンとニッケルの合金で、変態点は0℃くらいから80℃くらいまでのあいだで調整する事ができるよ。
- 「金属間化合物」というセラミックスの仲間です。原子同士が強固に結びついており、安定した材料なので耐食性、耐摩耗性に優れます。また、生体適合性が良く、アレルギーなどが起こりにくい材料です。
- Fe系、Cu系の形状記憶合金と比較して繰り返し特性が良く、温度変化に敏感で、利用可能な歪み変形量が大きいです。
- しなやかに大きく曲がりますが、折れるときは急にぽきっと折れます。
- 溶接、はんだ付けなどが難しい材料です。
- 原材料に加え、加工にコストのかかる材料です。