(57)【要約】【課題】複合材料において，従来の材料に比較して高強度を有する無機材料基あるいは有機材料基複合材料の製造を目的とする．【解決手段】複合材料において，長手方向に縮む様に形状記憶処理した形状記憶合金長繊維でマトリックスを強化し，不均一加熱あるいは不均一配置により形状記憶合金長繊維の収縮に伴う圧縮残留応力を位置毎に変化させ，材料中，必要な部位のみに効率よく圧縮残留応力を導入する．【選択図】　　図１
2004122740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状記憶合金繊維を強化相，強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料をマトリックスとする複合材料であって，形状記憶合金繊維の形状回復効果によりマトリックスに圧縮の残留応力を導入し，材料の強度を向上させた構造材料．
【請求項２】
形状記憶合金繊維を強化相，強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料をマトリックスとする複合材料であって，形状記憶合金繊維における不均一に導入された形状回復効果に起因した圧縮の残留応力が不均一にマトリックスに存在し，機械的性質を含む物性が位置によって変化することを特徴とする請求項１記載の高強度構造材料．
【請求項３】
形状記憶合金繊維を強化相，プラスタ，セメントあるいはプラスチックをマトリックスとする複合材料であって，形状記憶合金繊維における不均一に導入された形状回復効果に起因した圧縮の残留応力が不均一にプラスタ，セメントあるいはプラスチックマトリックスに存在し，硬さなどの機械的性質を含む物性が材料の長手方向に変化することを特徴とする請求項１及２記載の高強度建設構造材料．
【請求項４】
形状記憶合金繊維を強化相，強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料をマトリックスとする複合材料であって，不均一に配列した形状記憶合金繊維の形状回復効果に起因した圧縮の残留応力が不均一にマトリックスに存在し，機械的性質を含む物性が位置によって変化することを特徴とする請求項１記載の高強度構造材料．
【請求項５】
形状記憶合金繊維を強化相，プラスタ，セメントあるいはプラスチックをマトリックスとする複合材料であって，不均一に配列した形状記憶合金繊維の形状回復効果に起因した圧縮の残留応力が不均一にプラスタ，セメントあるいはプラスチックマトリックスに存在し，曲げ強度などの機械的性質を含む物性が位置によって変化することを特徴とする請求項１及４記載の高強度構造材料．
【請求項６】
形状記憶合金繊維に伸縮する様な形状記憶処理を施し，それを強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料に均一に配列し，形状記憶合金繊維の逆変態温度開始，及び／又は，逆変態終了温度を含む温度域にて不均一熱処理を施し，マトリックスに不均一な圧縮残留応力を導入することを特徴とする請求項２記載の複合材料製造方法．
【請求項７】
形状記憶合金繊維に伸縮する様な形状記憶処理を施し，それを強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料に不均一に配列し，形状記憶合金繊維の逆変態温度開始温度以上にて均一熱処理を施し，マトリックスに不均一な圧縮残留応力を導入することを特徴とする請求項４記載の複合材料製造方法．
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，高強度を有する複合材料系構造材料及びその製造方法に関するものである．
【０００２】
【従来の技術と課題】
一般的に材料における引張応力場は疲労・破壊強度を下げるが，逆に圧縮応力場はこれらの強度の向上をもたらす．すなわち，残留応力が好ましい分布にある場合，材料の強度の向上において極めて有効に作用すると考えられる．形状記憶合金をマトリックス中に分散させることにより，この圧縮応力場を積極的に導入することが試みられてきた．
【０００３】
ここで，残留応力とは外力や熱を除去した後にも固体材料中に残った擾乱的な分布応力をいう．外力や熱を加えた固体材料は一般に不均一な塑性変形を生じて，外力や熱の除去後にもそれが残って局所的に大きさや方向の異なる内部応力を局所的な釣合いを保った状態で生じている．また，形状記憶合金とは，ある相（母相）で形成された合金が他の相にあるときに変形をうけても，母相にもどすと形状も再び元にもどる性質，すなわち形状記憶効果をもつ合金のことである．この効果はマルテンサイトの変態によるもので，Ｔｉ−Ｎｉ合金（ニチノール合金）をはじめ，種々の合金が知られている．
【０００４】
図２に従来法の圧縮応力場導入メカニズムの例を示す．Ａｌマトリックスに形状記憶合金であるＴｉＮｉ繊維を分散させ，形状記憶処理を施す．この複合材料に，引張ひずみを与え塑性変形させる．最後に，ＳＭＡ繊維が逆変態するように加熱をすることでＡｌマトリックスに圧縮応力場が導入される．しかしながらこの手法は，マトリックスが金属などの融点の高い材料に有効であり，また予ひずみを複合状態で与えるため，試料の形状や大きさにも制限を受けてしまい，かつ，試料に塑性ひずみが与えられるという欠点がある．かつ，高価な形状記憶合金が均一に分散しているため，強度の必要のない部位までもが強化されており，不経済である．
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる事情に鑑みなされたものであって，マトリックスに塑性変形を負荷することなくマトリックスに圧縮応力場が導入された複合材料を，材料の形状や寸法にとらわれることなく提供することを目的とする．ここで，導入する圧縮応力場を不均一にすることにより，必要な箇所を必要な量だけ強化した複合材料を提供する．さらに，もう一つの目的は，圧縮応力場が不均一に導入された複合材料の製造方法を提供することにある．
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明者は鋭意検討を重ねた結果，形状記憶合金を収縮するように形状記憶処理させ，マトリックス内に分散させた後，熱処理を施す手法であれば，プラスタなどのプロセス温度の低い材料や有機系材料などへの応用が可能であり，また大型の形状記憶合金強化複合材料も作製できることを見出した．ここで，マトリックスとして，強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつプロセス温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料であればよいことを見出した．
【０００７】
本発明は、次のとおりのものである．１．形状記憶合金繊維を強化相，強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料をマトリックスとする複合材料であって，形状記憶合金繊維の形状回復効果によりマトリックスに圧縮の残留応力を導入し，材料の強度を向上させた構造材料．２．形状記憶合金繊維を強化相，強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料をマトリックスとする複合材料であって，形状記憶合金繊維における不均一に導入された形状回復効果に起因した圧縮の残留応力が不均一にマトリックスに存在し，機械的性質を含む物性が位置によって変化することを特徴とする高強度構造材料．３．形状記憶合金繊維を強化相，プラスタ，セメントあるいはプラスチックをマトリックスとする複合材料であって，形状記憶合金繊維における不均一に導入された形状回復効果に起因した圧縮の残留応力が不均一にプラスタ，セメントあるいはプラスチックマトリックスに存在し，硬さなどの機械的性質を含む物性が材料の長手方向に変化することを特徴とする高強度建設構造材料．４．形状記憶合金繊維を強化相，強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料をマトリックスとする複合材料であって，不均一に配列した形状記憶合金繊維の形状回復効果に起因した圧縮の残留応力が不均一にマトリックスに存在し，機械的性質を含む物性が位置によって変化することを特徴とする高強度構造材料．５．形状記憶合金繊維を強化相，プラスタ，セメントあるいはプラスチックをマトリックスとする複合材料であって，不均一に配列した形状記憶合金繊維の形状回復効果に起因した圧縮の残留応力が不均一にプラスタ，セメントあるいはプラスチックマトリックスに存在し，曲げ強度などの機械的性質を含む物性が位置によって変化することを特徴とする高強度構造材料．６．形状記憶合金繊維に伸縮する様な形状記憶処理を施し，それを強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料に均一に配列し，形状記憶合金繊維の逆変態温度開始，及び／又は，逆変態終了温度を含む温度域にて不均一熱処理を施し，マトリックスに不均一な圧縮残留応力を導入することを特徴とする複合材料製造方法．７．形状記憶合金繊維に伸縮する様な形状記憶処理を施し，それを強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料に不均一に配列し，形状記憶合金繊維の逆変態温度開始温度以上にて均一熱処理を施し，マトリックスに不均一な圧縮残留応力を導入することを特徴とする複合材料製造方法．
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下，この発明の実施形態を図面に示すモデル的実施態様に基づいて具体的に説明する．図に示す本発明の実施態様（以下、単に本発明ともいう）では，マトリックスとしてプラスタを用い，また強化相繊維として鉄系形状記憶合金を用いたモデル例である．この例ではマトリックスとしてプラスタを用いたが，マトリックスとしては強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料であれば，セメントをはじめとする無機化合物，プラスチックなどでも同様である．また，形状記憶合金繊維として鉄系形状記憶合金繊維を用いたが，Ｎｉ−Ｔｉ系や銅系などの金属系形状記憶合金，無機・有機形状記憶繊維を利用しても同様である
【０００９】
ここで，プラスタの化学組成はＣａＳＯ４・２Ｈ２Ｏであり、単斜晶系に属するモース硬さ２の標準鉱物である．密度２．３１７ｇ／ｃｃであり，白色，ときに灰，黄，赤，褐色であり．透明から不透明，絹ないしガラス光沢を有し，条痕は白色である．塩酸に溶け，水に少量溶ける．１９０〜２００℃で焼セッコウが生成される．装飾品，ポルトランドセメントの凝縮遅緩剤，充填材に利用される．
【００１０】
本発明で用いた形状記憶合金繊維は直径１．０ｍｍのＦｅ−２７．２ｍａｓｓ％Ｍｎ−５．７ｍａｓｓ％Ｓｉ−５ｍａｓｓ％Ｃｒである．ここで，この合金系の場合，ｆｃｃ構造に応力を加えることにより，マルテンサイト相であるｈｃｐ構造となる．これに逆変態終了温度以上に加熱することで顕箸な形状回復効果が生じる．なお，この変態・逆変態時の温度は，合金の種類とその成分によって変わってくる．
【００１１】
本発明で採用した圧縮応力場導入法を図１に模式的に示す．（Ａ）まず，形状記憶繊維に直線形状の形状記憶処理を施した．（Ｂ）形状記憶合金繊維に，応力誘起マルテンサイト変態が生じる温度域で引張予ひずみを与えた．この形状記憶合金繊維をプラスタに水を加えた母材へ埋め込む．ここで，２つの手法によりマトリックスへ不均一に圧縮応力場を導入した．
【００１２】
その一つは（Ｃ１）形状記憶合金繊維を均等にマトリックスへ分散させたあと，（Ｄ１）不均一熱処理を施すものであり，これにより圧縮応力場を導入する．本研究では，１２０℃から２５０℃の温度範囲で不均一に熱処理を施した．このタイプの材料の場合，材料の長手方向に圧縮応力場分布を導入するのに適しており，ここでは便宜上，タイプ１の複合材料とよぶ．
【００１３】
もう一つは（Ｃ２）形状記憶合金繊維を不均等にマトリックスへ分散させたあと，（Ｄ２）均一熱処理を施すものであり，これにより圧縮応力場を導入する．本研究では採用した熱処理温度は２５０℃である．このタイプの材料の場合，材料の幅及び／又は厚さ方向に圧縮応力場分布を導入するのに適しており，ここでは便宜上，タイプ２の複合材料とよぶ．
【００１４】
図３にタイプ１試料の熱処理における温度分布を示す．マルテンサイト逆変態の開始温度と終了温度の範囲において，逆変態は温度の増加に従って多く生じることが知られている．したがって，温度勾配における形状記憶合金繊維強化複合材料の熱処理は，局部的な温度に依存して圧縮残留応力の傾斜をもたらす．
【００１５】
ビッカース硬さ試験は，導入されている残留応力を評価する上で簡便な方法である．そこで，タイプ１の試料に関してビッカース微小硬さ分布を測定した．その結果を図４に示す．ここで，複合材料中の形状記憶合金繊維の体積分率は３．１％である．それぞれのデータ点は，４つの圧痕の平均である．図のように、位置によって顕著な硬さ分布が観察された．このように，形状記憶合金繊維強化複合材料の不均一熱処理により，硬さなどの機械的性質を含む物性が材料の長手方向に変化する複合材料を製造することが可能となった．
【００１６】
次に，タイプ２に関して，３点曲げ試験を行い，機械的強度の評価を行った．引張予ひずみ量の関数としてタイプ２の試料の曲げ強度を図５に示す．ここで，複合材料中の形状記憶合金繊維の体積分率は２．９％である．また，曲げ強度は，試料の三点曲げ試験によって得られる破壊時の最大モーメントを断面係数で割って求めた引張縁の最大応力値とした．参考のため，形状記憶合金繊維の体積分率が３．１％であり繊維の配置が均等な複合材料，およびプラスタマトリックスの実験結果も示す．
【００１７】
図より形状記憶合金繊維に予ひずみを与えた試料は，形状記憶合金繊維に予ひずみを与えていない試料に比べて，圧縮応力場の影響により強度が向上していることがわかる．さらに，プラスタマトリックスのみの試料と予ひずみ０％の形状記憶合金長繊維／プラスタ複合材料の曲げ強度がほぼ変わらないことから，曲げ強度の向上は形状記憶合金繊維そのものによる強化ではなく，形状記憶合金の収縮によって導入されたプラスタの残留応力によるものであることわかる．また，予ひずみが増加するにつれ，強度が向上していることがわかった．
【００１８】
さらに，均一に形状記憶合金繊維が配列した複合材料に比べて，タイプ２の試料の曲げ強度が１．５倍ほど大きいことがわかる．また，タイプ２の試料の場合，圧縮応力場を効率よく導入すれば，プラスタマトリックスに比べて２倍の強さとなることも見出された．
【００１９】
均一に形状記憶合金繊維が配列した複合材料における形状記憶合金繊維の体積分率が３．１％であり，タイプ２の試料における形状記憶合金繊維の体積分率が２．９％であるため，曲げ強度の向上は形状記憶合金繊維そのものによる強化ではない．この２つの試料の差は，形状記憶合金の収縮によって導入されたプラスタの残留応力がタイプ２では破壊の基点となる必要な箇所により多く導入されているためである．
【００２０】
このように，タイプ２の試料は試料厚さ方向に機械的性質の傾斜を有し，均一に形状記憶合金繊維が分散した複合材料に比べて，優れた機械的性質を有することがわかった．すなわち，形状記憶合金繊維を不均一に分散させ，圧縮応力場を不均一に導入することにより，曲げ強度などの機械的性質を含む物性が材料の場所及び／又は方向に変化する複合材料を製造することが可能となった．
【００２１】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によると、形状記憶合金繊維を強化相，強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料をマトリックスとする複合材料であって，形状記憶合金繊維の形状回復効果によりマトリックスに圧縮の残留応力を導入し，材料の強度を向上させた構造材料（請求項１）および形状記憶合金繊維を強化相，強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料をマトリックスとする複合材料であって，形状記憶合金繊維における不均一に導入された形状回復効果に起因した圧縮の残留応力が不均一にマトリックスに存在し，機械的性質を含む物性が位置によって変化することを特徴とする高強度構造材料（請求項２）および形状記憶合金繊維を強化相，プラスタ，セメントあるいはプラスチックをマトリックスとする複合材料であって，形状記憶合金繊維における不均一に導入された形状回復効果に起因した圧縮の残留応力が不均一にプラスタ，セメントあるいはプラスチックマトリックスに存在し，硬さなどの機械的性質を含む物性が材料の長手方向に変化することを特徴とする高強度建設構造材料（請求項３）が提供できるようになった．
【００２２】
また，形状記憶合金繊維を強化相，強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料をマトリックスとする複合材料であって，不均一に配列した形状記憶合金繊維の形状回復効果に起因した圧縮の残留応力が不均一にマトリックスに存在し，機械的性質を含む物性が位置によって変化することを特徴とする高強度構造材料（請求項４）および形状記憶合金繊維を強化相，プラスタ，セメントあるいはプラスチックをマトリックスとする複合材料であって，不均一に配列した形状記憶合金繊維の形状回復効果に起因した圧縮の残留応力が不均一にプラスタ，セメントあるいはプラスチックマトリックスに存在し，曲げ強度などの機械的性質を含む物性が位置によって変化することを特徴とする高強度構造材料（請求項５）を提供することが可能となった．
【００２３】
くわえて，形状記憶合金繊維に伸縮する様な形状記憶処理を施し，それを強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料に均一に配列し，形状記憶合金繊維の逆変態温度開始，及び／又は，逆変態終了温度を含む温度域にて不均一熱処理を施し，マトリックスに不均一な圧縮残留応力を導入することを特徴とする複合材料製造方法（請求項６）および形状記憶合金繊維に伸縮する様な形状記憶処理を施し，それを強化相形状記憶合金繊維の逆変態終了温度以下で凝結あるいは凝固あるいは硬化する材料であり，かつ凝結あるいは凝固あるいは硬化させた温度以上に加熱しても融解あるいは著しい軟化が生じない材料に不均一に配列し，形状記憶合金繊維の逆変態温度開始温度以上にて均一熱処理を施し，マトリックスに不均一な圧縮残留応力を導入することを特徴とする複合材料製造方法（請求項７）が提供できるようになった．
【００２４】
本発明で得られた複合材料は高価な形状記憶合金の利用を最低限に減らすことを可能にし，そのため，安価に強度の向上が可能となった．したがって，構造材料として有効である．特に，建築土木材料としての応用が最適である．
【００２５】
現在，地球環境を保護するために多くの努力がなされている．例えば，新材料および製品は，グローバル環境と調和するように開発されている．これらの理由のため，エコマテリアル（環境意識材料）の概念が提案され，我々の近代社会の地球にやさしい材料技術のために重要な概念として注目されてきている．エコマテリアルは環境への影響を最小にし，材料の性能を最大限にするように設計された材料として定義される．言い換えると，材料のエコ効率の最適化である．
【００２６】
機械的性質の向上，耐久性の延長と資源の保護がエコマテリアルの概念を実現する重要な問題の一つである．本研究では，形状記憶合金繊維強化傾斜機能材料がマトリックス材料や均一複合材料と比較してより優れた機械的性質をもつことがわかった．したがって，機械性質の向上，耐久性の延長，資源の保護が本発明により達成できた．
【００２７】
この手の形状記憶合金繊維強化型複合材料の場合，マトリックスと繊維との滑りが強度向上を阻んでいる．この繊維とマトリックス界面の向上のために，所望の形状に記憶処理された，表面に微細な凹凸を有する形状記憶合金線材を，変態点以下の温度で引張り加重を加えて初期ひずみを与え，該ひずみを維持した状態で繊維強化型複合材料に埋め込み，該構造材の剛性を増加させる必要があるときに，前記線材の温度を変態点より高温にして，記憶形状を復元し，剛性を増加可能にしたことを特徴とする剛性増加機能を有する構造材（機能性構造材；特許公開平９−３１７８２１）が提案されている．
【００２８】
本発明で採用したＦｅ−Ｍｎ−Ｓｉ−Ｃｒ系形状記憶合金は，他の形状記憶合金に比べて安価であるのみならず，溶接が可能であるという特徴を有する．したがって，網目型あるいはジャングルジム型など，溶接により２次元構造や３次元構造を構成でき，繊維が滑ることなく収縮が可能であり，それ故，さらなる強度の向上が見込まれる。さらに，これら２次元構造や３次元構造を面状織物や３軸織物等の様な２Ｄ織物やベルト織りや３Ｄ−３軸織物等の様な３Ｄ織物にすれば，溶接という行程を経ずにより強度の高い複合材料を製造することができる．
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従った複合材料系構造材料が強度を向上することを説明する図である．
【図２】従来法の圧縮応力場導入メカニズムの例を示す図である．
【図３】タイプ１試料の熱処理における温度分布を示す図である．
【図４】タイプ１の試料におけるビッカース微小硬さ分布を示す図である．
【図５】タイプ２試料および均質複合材料の曲げ強度を示す図である．
【符号の説明】
１…形状記憶合金繊維
２…引張予ひずみ
３…プラスタマトリックス
４…均一分布
５…傾斜分布
６…温度傾斜熱処理
７…均一熱処理
８…タイプ１複合材料
９…タイプ２複合材料
１０…アルミニウムマトリックス
１１…ＮｉＴｉ形状記憶合金繊維
１２…引張ひずみ
１３…タイプ２複合材料
１４…均一複合材料
【図１】
2004122740.tif 000003
【図２】
2004122740.tif 000004
【図３】
2004122740.tif 000005
【図４】
2004122740.tif 000006
【図５】
2004122740.tif 000007