(57)【要約】【課題】  延性を改善し、かつ、磁気応答性の良い形状記憶特性と強磁性を有する機能性複合材料を提供する。【解決手段】  プラスチック２のマトリックスに以下に示す粉末状の充填材１Ａおよび充填材１Ｂを所望の体積分率で分散した。  充填材１Ａ：強磁性形状記憶合金  充填材１Ｂ：軟磁性材料ここで充填材１Ｂは粒径が充填材１Ａに比べて小さいとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチックのマトリックスに強磁性形状記憶合金の粉末を分散させた機能性複合材料であって、前記強磁性形状記憶合金の粒間に、前記強磁性形状記憶合金よりも粒径が小さい粉末軟磁性材料を分散させてなることを特徴とする機能性複合材料。
【請求項２】
前記粉末軟磁性材料の粒径は、互いに隣接した前記強磁性形状記憶合金粉末の粒間に入り込む大きさであることを特徴とする請求項１記載の機能性複合材料。
【請求項３】
前記軟磁性材料は、鉄、フェライト、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系合金であることを特徴とする請求項１記載の機能性複合材料。
【請求項４】
前記強磁性形状記憶合金が、Ｆｅ−Ｐｄ系、Ｆｅ−Ｐｔ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｇａ系、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系およびＣｏ−Ｎｉ−Ａｌ系合金であることを特徴とする請求項１記載の機能性複合材料。
【請求項５】
前記強磁性形状記憶合金の一つの結晶方位が配向して分散していることを特徴とする請求項１記載の機能性複合材料。
【請求項６】
前記一つの結晶方位が、磁化容易軸方向であることを特徴とする請求項５記載の機能性複合材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気特性と加工性に優れた、形状記憶特性と強磁性を有する機能性複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、新しいアクチュエータ材料、センサ材料として強磁性形状記憶合金の研究が進められている。この強磁性形状記憶合金は、磁界印加によるマルテンサイト相変態もしくは、磁界印加による双晶の移動を形状変化に利用したもので、加熱・冷却過程を利用した形状変形より高い応答周波数特性を持つ。
【０００３】
強磁性形状記憶合金としては、例えば、鉄基磁性形状記憶合金がある（特許文献１参照）。この合金は、Ｐｄが２７〜３２ａｔ％のＦｅ−Ｐｄ系合金、あるいはＰｔが２３〜３０ａｔ％のＦｅ−Ｐｔ系合金に磁気エネルギーを付与して磁気誘起マルテンサイト変態を発現させ、形状記憶効果を得たものである。しかし、この技術では、材料の延性が低いため、機械部品として複雑かつ精密な形状を付与するのが困難であった。
【０００４】
また、磁界印加により形状記憶効果を得たものにはＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系合金がある（特許文献２参照）。しかしこの合金も、材料の延性が低いので機械部品として複雑かつ精密な形状を付与するのが困難であり、しかも繰り返し特性が悪いという問題があった。
【０００５】
また、強磁性Ｃｕ系形状記憶材料のＣｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金粉末を加圧して固化成形した後、焼結および加工して、電気的スイッチング装置や温度感知センサに利用したものがある（特許文献３参照）。しかしこの技術では、粉末材料を加圧成形して焼結した後、加工するため機械部品として複雑かつ精密な形状を付与するのが困難であった。
【０００６】
強磁性形状記憶合金のＣｏ−Ｎｉ−Ａｌ系合金は、Ｃｏが５〜７０ａｔ％、Ｎｉが５〜７０ａｔ％、Ａｌが５〜５０ａｔ％とその他添加元素および不可避的不純物からなる合金で、結晶構造がＢ２構造のβ相からなる単相組織、またはｆｃｃ構造のγ相とＢ２構造のβ相からなる２相組織とすることにより、形状記憶特性、強磁性および延性を得たものである（特許文献４参照）。しかしこの技術では、強磁性形状記憶合金となるβ相と延性はあるが磁性と形状記憶特性に乏しいγ相との２相組織とすることにより、延性は改善されるものの、形状記憶特性はγ相分率が増加するにつれ低下するといった問題があった。
【０００７】
また、このような合金の延性を解決する手段として、成形性、延性に優れたプラスチックのマトリックスに形状記憶合金のＮｉ−Ｔｉ系合金粉末、もしくは強磁性形状記憶合金のＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系合金粉末を分散させた複合材料がある。(特許文献５参照)。しかしこの技術では、プラスチックは非磁性なので、複合材料の磁化は合金単体のものと比べ小さくなる。このため、磁界駆動型アクチュエータなどに適用した場合、大きな発生力を得ることができないといった問題があった。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−２６９６１１号公報
【特許文献２】米国特許５９５８１５４号公報
【特許文献３】特開平５−３１１２８７号公報
【特許文献４】特開２００２−１２９２７３号公報
【特許文献５】特開２００４−２７７７６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１から３の強磁性形状記憶合金は脆性が原因で、機械部品に適用した場合、複雑かつ精密な形状を付与するのが困難、加工コストが高い、成形の自由度が低いという問題があった。また、特許文献４の技術では、延性を付与するため２相組織にしたことにより形状記憶特性は低下し、大きな形状記憶効果と強磁性を得ることができなかった。また、特許文献５の形状記憶合金とプラスチックの複合材料では、プラスチックは非磁性なので、複合材料の磁化は低下し、磁界印加により大きな形状記憶効果を得ることができなかった。
【００１０】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、磁界および、温度変化により形状変形する機能性複合材料の延性を改善し、かつ、磁界印加による動作歪を大きくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、プラスチックのマトリックスに強磁性形状記憶合金の粉末を分散させた機能性複合材料であって、前記強磁性形状記憶合金の粒間に粒径が小さい粉末軟磁性材料を分散させたものである。
請求項２に記載の発明は、前記粉末軟磁性材料の粒径が、互いに隣接した前記強磁性形状記憶合金粉末の粒間に入り込む大きさとしたものである。
請求項３に記載の発明は、前記軟磁性材料を、鉄、フェライト、Ｆｅ−Ｓｉ系、Ｆｅ−Ｎｉ系、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系合金としたものである。
請求項４に記載の発明は、前記強磁性形状記憶合金を、Ｆｅ−Ｐｄ系、Ｆｅ−Ｐｔ系、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｇａ系、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系およびＣｏ−Ｎｉ−Ａｌ系合金としたものである。
請求項５に記載の発明は、前記強磁性形状記憶合金の一つの結晶方位が配向して分散しているものである。
請求項６に記載の発明は、前記一つの結晶方位が、磁化容易軸方向であるものである。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１、２、４の発明によると、プラスチックのマトリックスに粉末状の強磁性形状記憶合金と、その粒間に粒径の小さい、好ましくは隣接した強磁性形状記憶合金粉末の粒間に入り込むほどに小さい粉末軟磁性材料を分散させることで、磁界に応答して動作し、かつ、延性、加工性の良い磁気機能性材料の磁界印加時の動作歪を大きくすることができる。
また、請求項３の発明によると、初磁化、飽和磁化特性の高い軟磁性材料を充填することにより、磁気機能性材料の磁化を大きくすることができ、磁界印加時の動作歪を大きくすることができる。
また、請求項５の発明によると、結晶方位を揃えることで、動作歪を大きくすることができる。
また、請求項６の発明によると、結晶方位を磁化容易軸方向とすることで、磁界印加時の動作歪を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の一例を示す機能性複合材料の構成概略図である。本発明の機能性複合材料は２種類の充填材１Ａ、充填材１Ｂと複合材料のマトリックスとなるプラスチック２からなる。充填材１Ａは複合材料に形状記憶機能を付与するものであり、また、充填材１Ｂは充填材１Ａの不足する機能を補充するものである。これら２つの充填材を延性、加工性の良いプラスチック２に分散させることで、複雑な形状を有する機能性材料を低コストで製造することができるといった特徴がある。  
【００１４】
充填材１Ａとしては例えば、強磁性形状記憶合金のＦｅ−Ｐｄ系合金、Ｆｅ−Ｐｔ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｇａ系合金、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ａｌ系合金を利用することにより、磁界駆動型アクチュエータや磁気センサなどをはじめとした磁気機能性材料とすることができる。
【００１５】
また、充填材１Ｂとしては例えば、透磁率、飽和磁化の大きい軟磁性材料の、鉄粉、軟磁性フェライト粉、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、パーマロイなどのＦｅ−Ｎｉ系合金、センダストなどのＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ系合金などを利用することで、磁界印加時の動作歪の大きい磁気機能性材料を得ることができる。
【００１６】
また、複合材料のマトリックスとなるプラスチック２には、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂から適宜選択することができる。
【００１７】
熱可塑性樹脂としては、例えば、塩化ビニル、アクリル、ナイロン６、ナイロン６６、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ポリアセタール、ＰＥＴ樹脂などがある。
【００１８】
熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、熱硬化ウレタンなどがある。
【００１９】
強磁性形状記憶合金の粉末とプラスチック２の複合材料は、延性、加工性の良い磁気機能性材料である。しかし、プラスチック２は非磁性であることから磁界印加時の磁化は小さい。本発明では、強磁性形状記憶合金粉末の粒間に軟磁性粉末を分散させる方法により磁気特性の向上を検討した。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の実施例を詳細に説明する。本発明の磁気形状記憶特性を有する機能性複合材料は次のように製造される。
工程1では、強磁性形状記憶合金粉末の作製を行う。本実施例では、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系合金を以下の方法にて作製した。
成分組成が、Ｎｉが５１．０ａｔ％、Ｍｎが２６．０ａｔ％、Ｇａが２３．０ａｔ％のインゴットをアーク溶解炉により作製し、真空中で１２７３Ｋで１時間の均質化熱処理をする。インゴットを粉砕器とふるい分けにより平均粒径が１００μｍ〜２５０μｍの粉末にした。この粉末を、１０７３Ｋで１５分間焼鈍したものを充填材１Ａとする。
なお、本実施例で説明した強磁性形状記憶合金の材料系、成分組成、粒径および作製方法については、本発明を限定するものではない。
【００２１】
工程２では、軟磁性粉末の作製を行う。本実施例では軟磁性粉末として、従来から知られているＰＢパーマロイ（Ｆｅ−４５ａｔ％Ｎｉ）粉を用意する。これを平均粒径が３０μｍ以下に粉砕する。粉砕後、１３７３Ｋで３時間焼鈍したものを充填材１Ｂとする。
なお、本実施例で説明した軟磁性粉末の材料系、成分組成、粒径および作製方法についてもまた、本発明を限定するものではない。
なお、充填材１Ｂを粒径が３０μｍ以下になるまで粉砕したのは、工程１で作製した強磁性形状記憶合金粉末の粒径に比べて略半分またはそれ以下の小さい微粒粉とすることで、強磁性形状記憶合金の粒間に軟磁性粉末が入り込む構造となり、延性を低下させることなく、後述するプラスチック２に充填材１Ａおよび充填材１Ｂを高密度に充填することができるためである。
【００２２】
工程３では、充填材１Ａ、充填材１Ｂをプラスチック２に分散し、硬化する。本実施例ではマトリックスとなるプラスチック２に引張弾性率が１０ＭＰａのエポキシ樹脂を用いた。
分散の手順は、まず、充填材１Ｂをエポキシ樹脂に所望の体積分率で分散し、その後、充填材１Ｂとエポキシ樹脂の複合樹脂に充填材１Ａを所望の体積分率で分散させた。この複合樹脂をアルミニウム製の金型に注形し、加熱硬化により２２ｍｍ×５ｍｍ×１ｍｍの短冊形状の試料を得た。以上の方法により、表に示す実施例１〜３の試料を得た。また、注形後、加熱硬化をする前に短冊型試料の長手方向に１Ｔの磁界を印加することで長手方向が磁化容易軸方向となるように結晶方位を配向させ、表に示す組成の実施例４の試料を得た。
なお、本実施例で説明した樹脂などの材料系、分散する各材料の体積分率、試料作製方法および試料形状についてもまた、本発明を限定するものではない。
【００２３】
（比較例１）
充填材１Ａのみをエポキシ樹脂に分散した。図２は比較例１における機能性複合材料の構成概略図である。このときの体積分率は充填材１Ａ：エポキシ樹脂＝４０：６０である。充填材１Ｂを分散していないこと以外は、工程、試料形状など本発明の実施例１〜３と同じである。
【００２４】
（比較例２）
充填材１Ａ、充填材１Ｂおよびエポキシ樹脂の体積分率を、充填材１Ａ：充填材１Ｂ:エポキシ樹脂＝３２：２０：４８とした。その他の工程、試料形状などは本発明の実施例１〜３と同じである。（図１）
【００２５】
（比較例３）
充填材１Ａと同じ組成の合金を粒径が３０μｍ以下になるまで粉砕し、その後、１０７３Ｋで１５分間焼鈍した。この合金粉末を充填材１ｂとする。充填材１ｂを本実施例の充填材１Ｂの代わりに分散させた。図３は比較例３における機能性複合材料の構成概略図である。このときの体積分率は充填材１Ａ：充填材１ｂ：エポキシ樹脂＝３４：１５：５１とした。充填材１Ｂが充填材１ｂになったこと以外は、工程、試料形状など本発明の実施例１〜３と同じである。
【００２６】
作製した実施例１〜４、および比較例１〜３の試料について、形状記憶特性、および、磁歪特性を評価した。その結果を各試料を構成する充填材１Ａ、充填材１Ｂおよびエポキシ樹脂の体積分率と併せて表に示した。
【００２７】
形状記憶特性は、２０ＭＰａ負荷時の歪―温度特性を測定し評価した。このときの変態による歪は次式で表される。
変態による歪（％）＝１００×｛（Ｌｄ−Ｌｒ）／Ｌｄ｝
ここで、Ｌｄ：２８０Ｋにおけるゲージ間長さ
Ｌｒ：３２０Ｋにおけるゲージ間長さ
表では、◎印で２．０％以上、〇印で１．０から２．０％、△印で０．５〜１．０％、×印で０．５％未満を表した。
【００２８】
磁歪特性は、３０Ａ／ｍの磁界を試料平面の垂直方向に印加して、試料長手方向の歪量を測定した。表では、◎印で０．５％以上、〇印で０．３から０．５％、△印で０．１〜０．３％、×印で０．１％未満を表した。
【００２９】
延性については、試料長手方向に毎分１ｍｍの引張速度で力を加えたときの破断伸びを測定した。表では、◎印で１０％以上、〇印で５〜１０％、△印で１〜５％、×印で１％未満を表した。
【００３０】
本発明例である実施例１〜４と、比較例１〜３を比べると、本発明例の方が磁歪特性に優れていることがわかる。これは、透磁率、飽和磁化の大きいパーマロイを充填した効果と考えられる。特に強磁性形状記憶合金の磁化容易軸方向が試料長手方向ようにとなるように粉末を配向させた実施例４の試料では、磁気特性、形状記憶特性ともに最も良い特性となった。また、パーマロイを充填したにも関わらず比較例２では形状記憶特性、磁気特性がともに悪かったが、これは形状記憶特性、磁歪特性を示さないパーマロイを過剰に充填したためである。また、複合材料に占めるエポキシ樹脂の体積分率が小さいため、比較例２では延性がなく、機械的性質に劣った。
【００３１】
なお、本実施例では充填材１Ａの成分組成として、Ｎｉが５１．０ａｔ％、Ｍｎが２６．０ａｔ％、Ｇａが２３．０ａｔ％の場合を例示したが、本発明はこれらの組成に限定されるものではなく、強磁性形状記憶合金であれば、その組成や製法に関係なく、本発明の範囲に含まれる。例えば、強磁性形状記憶合金のＦｅ−Ｐｄ系合金、Ｆｅ−Ｐｔ系合金、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ａｌ系合金などでも、同様の効果が得られる。
【００３２】
また、充填材１ＢについてはＰＢパーマロイとしたが、軟磁性材料であれば、その組成や製法に関係なく、本発明に含まれる。例えば、鉄粉、軟磁性フェライト粉、種々の組成のＦｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金、Ｆｅ−Ａｌ−Ｓｉ系合金などを利用することで、磁気特性の良い磁気機能性材料を得ることができる。
【００３３】
また、マトリックスとなるプラスチック２をエポキシ樹脂としたが、これも、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂から適宜選択することができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、塩化ビニル、アクリル、ナイロン６、ナイロン６６、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ポリアセタール、ＰＥＴ樹脂などがあり、熱硬化性樹脂としては、例えば、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、熱硬化ウレタンなどがある。
【００３４】
さらに、成形加工についても、選定した材料系の特性、利用方法に応じ、適宜選択することができる。例えば、圧延、射出、圧縮、押出し成形などがある。
【００３５】
【表１】
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【産業上の利用可能性】
【００３６】
外部磁界の変化および、温度変化に応答して動作するので、磁界駆動、温度駆動型アクチュエータや種々の磁気センサ、温度センサなどに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施例１から３と、比較例２を示す機能性複合材料の構成概略図
【図２】比較例１の構成概略図
【図３】比較例３の構成概略図
【符号の説明】
【００３８】
１Ａ、１Ｂ、１ｂ  充填材
２            プラスチック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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