磁性形状記憶合金

磁性形状記憶合金（MSMA）は、磁場に応じて大きく可逆的な形状変化を起こすことができるスマートマテリアルの一種です。この挙動は、合金内部の磁性と形状記憶特性の組み合わせによって生じ、磁気駆動によって機械的な動作や力を発生させることができます。MSMAは一般的に強磁性材料、特にニッケルマンガンガリウム（Ni-Mn-Ga）から作られ、迅速で制御可能かつ反復可能な動作が求められる用途に有用です。

導入

MSM合金は、中程度の磁場下で運動と力を生み出すことができる強磁性材料です。典型的には、MSMAはニッケル、マンガン、ガリウム（Ni-Mn-Ga）の合金です。

1996年にMITのカリ・ウラッコ博士らは、磁気誘導による約0.2%の変形を発表しました。 [ 1 ]それ以来、製造プロセスと合金のその後の処理の改良により、市販の単結晶Ni-Mn-Ga MSM素子では最大6%の変形が実現され、 [ 2 ]研究開発段階の新しい合金では最大10～12%と20%の変形が実現されています。[ 3 ] [ 4 ]

磁気誘起ひずみの大きな大きさと短い応答時間により、MSM技術は、空気圧、ロボット工学、医療機器、メカトロニクス分野で使用される革新的なアクチュエータの設計において非常に魅力的です。[ 5 ] MSM合金は、変形に応じて磁気特性が変化します。このアクチュエータと共存する効果は、変位センサー、速度センサー、力センサー、機械エネルギーハーベスターの設計に役立ちます。[ 6 ]

磁気形状記憶効果は、合金を構成する基本セルが正方晶系である低温マルテンサイト相で発現します。温度がマルテンサイト-オーステナイト変態温度を超えると、合金は基本セルが立方晶系であるオーステナイト相に移行します。このような形状では、磁気形状記憶効果は失われます。

マルテンサイトからオーステナイトへの変態は、力と変形を生み出します。そのため、MSM合金は、熱形状記憶合金（例えばニッケルチタン（Ni-Ti）合金）と同様に、熱によって活性化されることもあります。

磁気形状記憶効果

MSM合金の大きなひずみの原因となるメカニズムは、いわゆる磁気誘起再配向（MIR）であり、図に示されている。[ 7 ]他の強磁性材料と同様に、MSM合金は外部磁場を受けると巨視的な磁化を示す。これは、磁化要素が磁場の方向に沿って整列することから生じる。しかし、標準的な強磁性材料とは異なり、この整列は合金を構成する基本セルの幾何学的回転によって得られるものであり、セル内の磁化ベクトルの回転（磁歪の場合のように）によって得られるものではない。

磁気形状記憶の動作原理。図に示されている変形の曲がりは説明のためのものであり、実際の材料では曲がりは4°未満であることに注意してください。

合金が外力を受けると、同様の現象が発生します。マクロ的には、この力は磁場のように作用し、基本セルの回転を促進し、基準座標系内での作用に応じて伸長または収縮を引き起こします。伸長と収縮のプロセスは図に示されており、例えば、伸長は磁気的に、収縮は機械的に行われます。

セルの回転は、MSM 合金の大きな磁気異方性と、内部領域の高い可動性によって生じます。簡単に言うと、MSM 要素は内部領域で構成され、各領域は基本セルの方向が異なります (領域は図で緑色と青色で示されています)。これらの領域は双晶バリアントと呼ばれます。磁場または外部応力の適用により、双晶境界と呼ばれるバリアントの境界が移動し、いずれかのバリアントが優先されます。要素が完全に収縮または完全に伸長している場合、それは 1 つのバリアントのみによって形成され、単一バリアント状態にあると言われています。固定方向に沿った MSM 要素の磁化は、要素が収縮単一バリアント状態にあるか、伸長単一バリアント状態にあるかによって異なります。磁気異方性とは、収縮単一バリアント状態と伸長単一バリアント状態の要素を磁化するために必要なエネルギーの差です。異方性の値はMSM合金の最大仕事量と関係しており、したがってアプリケーションに使用できる利用可能なひずみと力に関係しています。[ 8 ]

プロパティ

市販されている元素のMSM効果の主な特性は[ 9 ]にまとめられています（ここでは技術の他の側面と関連するアプリケーションの記述があります）。

  • 最大6%の歪み
  • 最大発生応力は3 MPaまで
  • 最大ひずみを得るための最小磁場：500 kA/m
  • 最大ひずみ（6％）、最大2 MPaの荷重
  • 単位体積あたりの仕事量は約150 kJ/m^3
  • エネルギー効率（入力磁気エネルギーと出力機械仕事の変換）約90％
  • 内部摩擦応力は約0.5 MPa
  • 磁気および熱活性化
  • 動作温度範囲：-40～60℃
  • 変形中の透磁率と電気抵抗の変化

疲労特性

MSMAの疲労寿命は、高周波サイクルを伴うアクチュエーション用途において特に重要であり、そのため、これらの合金の微細構造の改良が特に重要となっている。研究者らは、最大応力2MPaで疲労寿命を最大20億サイクルまで向上させ、デバイスにおけるMSMAの実際の適用を裏付ける有望なデータを提供している。[ 10 ]高い疲労寿命が実証されているものの、この特性は材料内部の双晶形成応力によって制御されることが分かっており、この応力は結晶構造と双晶境界に依存する。さらに、完全にひずんだ（伸長または収縮した）MSMAを誘発すると疲労寿命が短くなることが判明しているため、機能的なMSMAシステムを設計する際にはこれを考慮に入れなければならない。一般に、応力集中の原因となる表面粗さなどの欠陥を減らすことで、 MSMAの疲労寿命と破壊抵抗を向上させることができる。[ 11 ]

合金の開発

標準的な合金はニッケル-マンガン-ガリウム(Ni-Mn-Ga) 合金であり、1996 年に最初の関連する MSM 効果が発表されて以来研究されています。[ 1 ]他に研究中の合金には、鉄-パラジウム(Fe-Pd) 合金、ニッケル - 鉄 - ガリウム (Ni-Fe-Ga) 合金、および鉄 (Fe)、コバルト (Co)、銅 (Cu) をさらに含む基本的な Ni-Mn-Ga 合金のいくつかの派生物があります。新しい合金の継続的な開発とテストの背後にある主な動機は、より低い内部摩擦、より高い変態温度、より高いキュリー温度などの改善された熱磁気機械特性を達成することです。これにより、MSM 合金をさまざまな用途に使用できるようになります。実際、標準合金の実際の温度範囲は最大 50 °C です。最近、80 °C の合金が発表されました。[ 12 ]

磁気形状記憶効果の発生には双晶境界運動機構が必要であるため、最大誘起ひずみの点で最も優れたMSMAは単結晶である。積層造形は多孔質多結晶MSMAを製造する技術として実証されている。[ 13 ]完全に緻密な多結晶MSMAとは対照的に、多孔質構造はより多くの運動自由度を許容するため、マルテンサイト双晶境界運動を活性化するために必要な内部応力が低減する。さらに、焼結や焼鈍などの後処理熱処理は、Ni-Mn-Ga合金の硬度を大幅に向上させ、弾性率を低下させることが分かっている。

アプリケーション

MSMアクチュエータ素子は、高速かつ精密な動作が求められる用途に使用できる。従来の形状記憶合金に必要な加熱/冷却サイクルと比較して、磁場を用いた高速駆動が可能であり、疲労寿命も長いことから注目されている。応用分野としては、ロボット工学、製造業、医療手術、バルブ、ダンパー、選別などが挙げられる。[ 9 ] MSMAは、比較的狭い空間領域で大きな力とストロークを出力できるため、アクチュエータ（ラボオンチップデバイス用のマイクロ流体ポンプなど）への応用において特に注目されている。[ 10 ]また、疲労寿命が長く、磁束から起電力を生成できるため、MSMAはエネルギーハーベスティング用途にも注目されている。[ 14 ]

MSMAの双晶応力、つまり内部摩擦応力が作動効率を決定するため、MSMアクチュエータの動作設計は、特定の合金の機械的特性と磁気的特性に基づいています。たとえば、MSMAの透磁率はひずみの関数です。[ 10 ]最も一般的なMSMアクチュエータの設計は、回転磁場を生成する永久磁石によって制御されるMSM要素と、形状記憶サイクル中に機械力を復元するスプリングで構成されています。結晶欠陥による磁気形状記憶効果の制限が、アプリケーションにおけるMSMAの効率を決定します。MSM効果は温度にも依存するため、これらの合金は微細構造と組成を制御することで遷移温度をシフトするように調整できます。

参考文献

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  2. ^ウィルソン、スティーブン A.ジュールダン、ルノー PJ。張、斉。ドリー、ロバート A.ボーウェン、クリス R.ウィランダー、マグナス。ワハブ、カマル・ウル。ウィランダー、マグナス。アル・ヒリ、サファア M. (2007-06-21)。「マイクロスケールのセンサーとアクチュエーター用の新材料: エンジニアリングのレビュー」。材料科学および工学: R: レポート。56 ( 1–6 ): 1–129 .土井: 10.1016/j.mser.2007.03.001。
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