(57)【要約】  形状記憶合金でのエネルギー減衰を制御する方法において、少なくとも約１０重量％のＣｕ、約５重量％のＦｅ、少なくとも約５重量％のＡｕ、少なくとも約５重量％のＡｇ、少なくとも約５重量％のＡｌ、少なくとも約５重量％のＩｎ、少なくとも約５重量％のＭｎ、少なくとも約５重量％のＺｎ、および少なくとも約５重量％のＣｏのうちの少なくとも１種を含む組成物を有する形状記憶合金が提供される。形状記憶合金は、表面粗さを有し、また約１ミクロンより大きく約１ミリメートルより小さい図形範囲を有する構造的特徴を含む構造体に構成される。構造的特徴のエネルギー減衰は、構造的特徴の表面の粗さを変更する処理条件に構造的特徴を暴露ことによって加減される。
2016540121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
形状記憶合金におけるエネルギー減衰を制御する方法であって、
少なくとも約１０重量％のＣｕと、少なくとも約５重量％のＦｅと、少なくとも約５重量％のＡｕと、少なくとも約５重量％のＡｇと、少なくとも約５重量％のＡｌと、少なくとも約５重量％のＩｎと、少なくとも約５重量％中のＭｎと、少なくとも約５重量％でＺｎと、少なくとも約５重量％のＣｏとからなる群から選ばれる少なくとも１種を含む組成物を有する形状記憶合金を提供するステップと、
前記形状記憶合金を、約１ミクロンより大きく約１ミリメートル未満の図形範囲を有する構造的特徴を含む構造体に構成するステップであって、前記形状記憶合金の構造的特徴は、表面粗さを有する、ステップと、
前記形状記憶合金の構造的特徴を前記形状記憶合金の構造的特徴の表面粗さを変更する処理条件に暴露することによって前記形状記憶合金の構造的特徴のエネルギー減衰を加減するステップと、を含む方法。
【請求項２】
前記形状記憶合金の構造的特徴がオリゴ結晶である、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記形状記憶合金の構造的特徴が単結晶である、請求項１に記載の方法。 
【請求項４】
前記形状記憶合金の構造的特徴が範囲を有し、前記範囲は、マルテンサイト相変態時に前記形状記憶合金構造体によるエネルギー散逸が前記形状記憶合金の構造的特徴の表面粗さによって支配されるようにする範囲である、請求項１に記載の方法。 
【請求項５】
前記形状記憶合金の構造的特徴が約５００ミクロン未満の範囲を有する、請求項１に記載の方法。 
【請求項６】
前記形状記憶合金の構造的特徴が約２５０ミクロン未満の範囲を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記形状記憶合金の構造的特徴が約１００ミクロン未満の範囲を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記形状記憶合金の構造的特徴が約１０ミクロンより大きい範囲を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記形状記憶合金の構造的特徴が約１００ミクロンより大きい範囲を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記形状記憶合金の構造的特徴が暴露される前記処理条件が、約１ｎｍから約１００ｎｍの間となる前記形状記憶合金構造体の表面粗さＲｑを生成する、請求項１に記載の方法。 
【請求項１１】
前記形状記憶合金の構造的特徴が暴露される前記処理条件が、約１００ｎｍから約１５０ｎｍの間となる前記形状記憶合金構造体の表面粗さＲｑを生成する、請求項１に記載の方法。 
【請求項１２】
前記形状記憶合金の構造的特徴が暴露される前記処理条件が、約１５０ｎｍから約２００ｎｍの間となる前記形状記憶合金構造体の表面粗さＲｑを生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記形状記憶合金の構造的特徴が暴露される前記処理条件が、約２００ｎｍから約３００ｎｍの間となる前記形状記憶合金構造体の表面粗さＲｑを生成する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記形状記憶合金の構造的特徴が暴露される前記処理条件が、約３００ｎｍから約４００ｎｍの間となる前記形状記憶合金構造体の表面粗さＲｑを生成する、請求項１に記載の方法。 
【請求項１５】
前記形状記憶合金の構造的特徴が暴露される前記処理条件が、約４００ｎｍから約５００ｎｍの間となる前記形状記憶合金構造体の表面粗さＲｑを生成する、請求項１に記載の方法。 
【請求項１６】
前記形状記憶合金の構造的特徴が暴露される前記処理条件が、約５００ｎｍから約１０００ｎｍの間となる前記形状記憶合金構造体の表面粗さＲｑを生成する、請求項１に記載の方法。 
【請求項１７】
前記形状記憶合金の構造的特徴はワイヤを含み、前記構造的特徴範囲は前記ワイヤの直径を含む、請求項１に記載の方法。 
【請求項１８】
前記形状記憶合金の構造的特徴が暴露される前記処理条件は電解研磨を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記形状記憶合金は、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌを含む、請求項１に記載の方法。 
【請求項２０】
前記形状記憶合金は、Ｃｕ−１４Ａｌ−４Ｎｉ（重量％）を含む、請求項１に記載の方法。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、形状記憶合金などの機能性材料に関し、より具体的には、超弾性形状記憶合金構造体におけるエネルギー散逸の制御に関する。
【０００２】
連邦政府による資金提供を受けた研究の記載。本発明は、米陸軍研究事務所によって発注された契約第Ｗ９１１ＮＦ−０７−Ｄ−０００４号の下、政府支援によってなされたものである。政府は、本発明に一定の権限を有する。
【背景技術】
【０００３】
形状記憶合金（ＳＭＡ）などの機能性材料におけるエネルギー散逸またはエネルギー減衰の度合いは、多くのＳＭＡデバイスおよびシステムに重要な実際的な影響を有する。様々なＳＭＡ用途について、例えば、衝撃吸収および振動制御を可能にするために、高程度の減衰が所望されることがある。これに対して、機械的作動や環境発電（energy harvesting）を含む他のＳＭＡ用途では、エネルギー減衰が望ましくないこともある。このエネルギー散逸の検討は別として、全体的なＳＭＡ応用の設計仕様または応用システムにおけるＳＭＡ能動素子の設計仕様はその他の点で類似している。例えば、ミラーの動作を作動させるために設計されたＳＭＡワイヤ素子の設計は、エンジンマウントの振動からエネルギーを散逸させるように設計された織布においても作用することができる。
【０００４】
形状記憶合金は、オーステナイトと呼ばれる高温相と、マルテンサイトと呼ばれる低温相との間の固体から固体への可逆的相転移という特徴をもつ。オーステナイト相の合金結晶構造は、通常、立方超格子であり、一方、マルテンサイト相の合金結晶構造は、単斜晶または斜方晶である。これらの２相間の合金材料の変態は、６〜１０％程度の回復可能なひずみをもたらす。このようないわゆるマルテンサイト変態時に、エネルギーが熱として散逸される。このエネルギー散逸量は、相変態サイクルおけるヒステリシスの程度に反映されている。相変態サイクルヒステリシスが大きいほど、より多くのエネルギーが相変態サイクルによって散逸される。その結果、相変態サイクルにおいて形状記憶合金構造体によって生成されるエネルギー減衰の量は、構造体の機械的相変態が観察されたときに得られた相変態サイクルの応力−ひずみ曲線におけるヒステリシスの大きさによって測定することができる。
【０００５】
様々なＳＭＡの用途について、例えば、ＳＭＡの機能が振動エネルギーを減衰させることである用途については、ヒステリシスが大きいことが望ましい。このようなエネルギー散逸が望ましい用途においては、ＳＭＡ材料素子を相応に設計して機械的エネルギーを減衰することができる。しかし、ＳＭＡ減衰設計は、概して効果があるものの、通常、機械的疲労や耐腐食性などの他のＳＭＡ材料特性とのトレードオフを要する。同様に、比較的低い機械的減衰を生成するようにＳＭＡ材料素子を設計することができるが、温度感受性、機械的応力、コスト、または製造性などの他ＳＭＡ材質特性とトレードオフとなる。選択された減衰度を備えるＳＭＡ材料素子の設計に求められるこれらの固有のトレードオフが原因で、ＳＭＡ材料素子減衰の制御は非実用的になることが多く、その結果、例えば、作動構造およびエネルギー散逸構造の両方に使用される実質的に同一のＳＭＡ素子設計をもつ、共通のＳＭＡ材料素子設計が高減衰用途と低減衰用途の両方に使用されることになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特定の所定のエネルギー減衰度合いを達成するために必要なトレードオフは、マイクロスケールおよびナノスケールのＳＭＡ材料素子サイズを有するマイクロスケールおよびナノスケールＳＭＡ構造体では特に大きくなる。このようなＳＭＡ構造体については、操作上および性能上の考慮事項によって設定される材料要件が、非常に厳格となりうる。特に、種々の微小サイズの操作性能を達成するために妥協が必要になることがよくあり、その結果、ＳＭＡ構造体によるエネルギー減衰を選択的に制御することができなくなることがある。結果として、マイクロスケールおよびナノスケールＳＭＡ材料構造体は、マイクロスケールおよびナノスケールＳＭＡ用途の具体的エネルギー減衰要件を満たすという点で厳しく制限されることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
特定のエネルギー減衰要件を満たすためのＳＭＡ構造体を作る能力を可能にするために、形状記憶合金におけるエネルギー減衰を制御するための方法が提供される。この方法では、少なくとも約１０重量％のＣｕと、少なくとも約５重量％のＦｅと、少なくとも約５重量％のＡｕと、少なくとも約５重量％のＡｇと、少なくとも約５重量％のＡｌと、少なくとも約５重量％のＩｎと、少なくとも約５重量％のＭｎと、少なくとも約５重量％のＺｎと、少なくとも約５重量％のＣｏとからなる群から選ばれる少なくとも１種を含む組成物を有する形状記憶合金が提供される。形状記憶合金は、約１ミクロンより大きく約１ミリメートルより小さい特徴範囲を有する構造的特徴を含む構造体に構成される。形状記憶合金の構造的特徴は、表面粗さを有するという特徴をもつ。
【０００８】
形状記憶合金の構造的特徴の表面の粗さを変更する処理条件に対して形状記憶合金の構造的特徴を暴露することによって、形状記憶合金の構造的特徴のエネルギー減衰が加減される。このような表面粗さの調整を用いて、超弾性変態サイクル時に構造体によって散逸されるエネルギーの所望量を制御する。このエネルギー減衰制御を様々な用途に使用して、作動、機械振動制御、環境発電、および他の用途におけるスマート材料の最適性能を可能にすることができる。本エネルギー減衰方法の他の機能と利点は、以下の説明および添付の図面、ならびに特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】応力ヒステリシスΔσのプロット図、またはワイヤ直径の関数としてＳＭＡワイヤのマルテンサイト変態について測定されたＳＭＡマルテンサイト変態サイクル中の散逸エネルギー量のプロット図であって、体積効果が支配的になるサイズレジーム（size regime）（Ｉ）と、表面効果が支配的になるサイズレジーム（ＩＩ）と、表面効果および体積効果が欠乏してサイズが支配的になるサイズレジーム（ＩＩＩ）とを特定した図である。
【図１Ｂ】ＳＭＡ構造体表面粗さの関数として応力ヒステリシスΔσとして示される、エネルギー減衰と表面粗さとの間のプロットされた２つの関係例を示す図である。
【図２】２つの異なるスケールの表面粗さを備える表面を有するＳＭＡ構造体の概略側面図である。
【図３Ａ】本明細書で提供されるように加減することができる表面を有する超弾性合金マイクロピラー例の概略図である。
【図３Ｂ】本明細書で提供されるように加減することができる表面を有する超弾性合金ワイヤまたは繊維例の概略図である。
【図３Ｃ】本明細書で提供されるように加減することができる表面を有する超弾性合金平面構造体例の概略図である。
【図３Ｄ】本明細書で提供されるように加減することができる表面を有する超弾性合金オープンセルフォーム形状例の概略図である。
【図３Ｅ】本明細書で提供されるように加減することができる表面を有する超弾性合金チューブ例の概略図である。
【図４Ａ】本明細書で提供されるように加減することができる表面を有する超弾性合金片持梁例の概略図である。
【図４Ｂ】本明細書で提供されるように加減することができる表面を有する超弾性合金膜例の概略図である。
【図４Ｃ】本明細書で提供されるように加減することができる表面を有する超弾性合金ブリッジ例の概略図である。
【図４Ｄ】本明細書で提供されるように加減することができる表面を有する超弾性合金リボン例の概略図である。
【図４Ｅ】本明細書で提供されるように加減することができる表面を有する超弾性合金垂直壁例の概略図である。
【図５Ａ】本明細書で提供されるように加減することができる表面を有する超弾性合金繊維織物の例の概略図である。
【図５Ｂ】本明細書で提供されるように加減することができる表面を有する超弾性合金繊維束の例の概略図である。
【図５Ｃ】本明細書で提供されるように加減することができる表面を有する超弾性合金繊維編物の例の概略図である。
【図６】動作疲労寿命が長くなるように表面平滑性を有するＳＭＡばね要素を含むばねアクチュエータの概略図である。
【図７】エネルギーを減衰させるための表面粗さを有するＳＭＡワイヤを含むエネルギー減衰構造体の概略図である。
【図８Ａ】大きな表面粗さを備えるＳＭＡワイヤの表面トポグラフィを示す原子間力顕微鏡走査図である。
【図８Ｂ】表面研磨後に得られる平滑表面仕上げを備えるＳＭＡワイヤの表面トポグラフィを示す原子間力顕微鏡走査図である。
【図９Ａ】最初のマルテンサイト変態サイクル時に、粗い表面を有するＳＭＡワイヤおよび平滑な表面を有するＳＭＡワイヤについて実験的に測定した応力−ひずみ曲線のプロット図である。
【図９Ｂ】１０回目のマルテンサイト変態サイクル時に、粗い表面を有するＳＭＡワイヤおよび平滑な表面を有するＳＭＡワイヤについて実験的に測定した応力−ひずみ曲線のプロット図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
形状記憶合金（ＳＭＡ）構造体などの超弾性構造体のエネルギー散逸特性またはエネルギー減衰特性は、区別可能な３つの異なる影響サイズレジームを備えるＳＭＡ構造体の表面効果および体積効果によって影響を受ける。本明細書では、その異なるサイズレジームのうちの対応する１つにおける表面効果を制御することによってＳＭＡエネルギー減衰を詳細に調整するための方法が提供される。図１Ａを参照すると、このサイズの影響が、本明細書ではＳＭＡワイヤの直径であるＳＭＡ構造特徴のサイズの関数としての、応力ヒステリシスΔσのプロット例か、またはＳＭＡのオーステナイト−マルテンサイト相変態サイクルの間に散逸するエネルギー量のプロット例で説明されている。この例では、Ｃｕ系ＳＭＡワイヤからの測定データが、特にＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ系、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系について提示されているが、その一般的な関係は、Ｃｕ系ＳＭＡワイヤに限定されるものではなく、概して種々のＳＭＡ構造体に適用可能である。
【００１１】
第１サイズレジーム（Ｉ）では、ＳＭＡ材料の体積効果、つまり体積欠陥など材料体積における効果が、ＳＭＡ構造体の応力ヒステリシスに影響を与え、レジームＩの低い方のサイズ閾値より上のＳＭＡ構造体の範囲にわたり比較的低い応力ヒステリシスと低いエネルギー減衰が生じている。第２サイズレジーム（ＩＩ）では、表面粗さなどのＳＭＡ構造体の表面効果が、構造体の機械的応答に影響を与え、また、このレジームでは構造体図形サイズが小さくなるため、応力ヒステリシスおよびエネルギー減衰が増加する。第３レジーム（ＩＩＩ）では、特徴的図形サイズ閾値の下で、ＳＭＡ構造体のスケールが支配的となり、表面欠陥の欠乏（starvation）が発生する。この第３レジ―ムは、比較的高い応力ヒステリシスと高いエネルギー減衰が特徴である。
【００１２】
Ｃｕ系ＳＭＡ合金ワイヤに関する図１Ａのプロットの実験データでは、第１の体積支配サイズレジーム（volume-dominated size regime）（Ｉ）は、約５００μｍよりも大きいＳＭＡ図形サイズで発生する。第２の表面支配サイズレジーム（surface-dominated size regime）（ＩＩ）は、約１μｍから約５００μｍの間のＳＭＡ図形サイズで発生する。第３のサイズ支配レジーム（size-dominated size regime）（ＩＩＩ）は、約１μｍ未満のＳＭＡ図形サイズで発生する。これらの特定のレジーム閾値は、このＣｕ系ＳＭＡ合金ワイヤ例に特有のものではあるが、様々なＳＭＡ構造体に適用可能な３つのサイズに基づくレジームを概して説明するものである。
【００１３】
ＳＭＡ構造体の表面支配図形サイズレジーム（ＩＩ）について、構造体の表面仕上げの制御を具体的に指定して、相当するエネルギー減衰特性をその構造体について生成することができることが本明細書において明らかとなっている。ＳＭＡ構造体におけるマルテンサイト変態サイクルの間に、オーステナイト／マルテンサイト界面がＳＭＡ構造体内および構造面の障害物を通過して移動したときに摩擦エネルギーが熱として散逸される。変態サイクルの特徴であるヒステリシスループの垂直方向の広がり、すなわち、オーステナイト−マルテンサイト超弾性変態サイクルの印加されたひずみの関数として応力のプロットに形成されたループの高さが、サイクルで消費されるエネルギーの量に比例し、該エネルギーは、サイクルで減衰されるエネルギーとなる。あるＳＭＡ構造体は、その特定のＳＭＡ構造体のサイズの表面支配レジーム（ＩＩ）の範囲に該当する長さまたは範囲を有する少なくとも１つの構造的特徴を有し、該構造体の表面の障害物は、変態サイクル時のエネルギー減衰の主源となることがある。表面支配レジームにおけるこのような構造体について、１超弾性サイクルで散逸されるエネルギーの量は、該構造体の表面仕上げに密接に関連している。
【００１４】
このような構造体の表面の粗さを制御することにより、表面の障害物群の総数と表面の障害物の摩擦電位との両方を調整できる。例えば、ＳＭＡ構造体の表面を平滑化することにより、表面の障害物の数を低減することができ、そのため相変態時のオーステナイト／マルテンサイト界面移動に際しては、より少数の表面障害物が存在することになり、変態時にエネルギー散逸が相応に減少する。あるいは、ＳＭＡ構造体表面を粗化することにより、表面の障害物の数を増加させることができ、相変態中のオーステナイト／マルテンサイト界面移動に際しては、より多数の表面障害物が存在することになり、変換時にはエネルギー散逸が相応に増加する。このような表面調整は、超弾性変態サイクル時に構造体によって散逸されるエネルギーの所望量を制御するために使用される。以下に詳細に説明するように、この減衰を制御する方法を様々な用途で使用して、作動、機械振動制御、環境発電、および他の用途におけるスマート材料の最適性能を可能にすることができる。
【００１５】
表面支配サイズレジーム（ＩＩ）に比べて大きい図形サイズを有する体積支配サイズレジーム（Ｉ）のＳＭＡ構造体については、表面積対体積比が構造体の表面仕上げには小さすぎて超弾性変態サイクル時のエネルギー散逸において重要な役割を果たすことができない。一方、第３サイズレジーム（ＩＩＩ）の微小ＳＭＡ構造体については、エネルギー散逸の主源となるには表面障害物が概して少なすぎ、また間隔が遠すぎる。その代わりに、超弾性変態時のＳＭＡ構造体の機械的挙動は、ここでは、欠陥率によって制御される。結果的に、表面支配エネルギー散逸サイズレジーム（ＩＩ）の長さスケールを備える特徴を有するＳＭＡ構造体については、減衰性能が表面状態によってのみ支配されており、該長さスケールがその構造体の特徴となる。図１ＡのデータプロットによるＣｕ系ＳＭＡ構造体の例について、その特徴的なレジームは約１μｍ〜約５００μｍの間となる。
【００１６】
任意のＳＭＡ構造体についてこの表面支配エネルギー散逸レジーム（ＩＩ）を決定し、構造体表面の状態を調整して超弾性変態サイクル時の構造体のエネルギー減衰を制御することができる構造的特徴のサイズ範囲を確定することができる。選択したＳＭＡ構造体についての表面支配エネルギー散逸レジームの決定をするために、実証技術および実験技術を含む任意の適切な分析または技術を用いることができる。
【００１７】
一般的に、構造体の体積に対して大きい表面積を有するＳＭＡ構造体について、および／または平均欠陥サイズを含むかまたはＳＭＡ構造体の体積に対して小さな特徴的欠陥サイズを含むＳＭＡ構造体について、表面支配サイズレジームを特徴付けること、つまり、表面支配サイズレジームを十分に定義することができる。構造的欠陥には、例えば、転位、転位もつれ、空孔、介在物、二相、および他のこうした特徴が含まれることがあり、ＳＭＡ材料ごとに異なっていることがある。多くの材料について、こうした欠陥は、特徴的サイズまたはサイズ範囲を有している。ＳＭＡ構造体体積に対するサイズが小さい欠陥を含むＳＭＡ構造体については、概してそのＳＭＡ構造体について表面支配サイズレジームを決定することができる。したがって、そのような構造体体積に対する欠陥サイズの決定を可能にする測定技術を実施して、所与のＳＭＡ構造体について表面支配サイズレジームを確認することができる。構造体体積に対する構造体表面積の分析を実施して所与のＳＭＡ構造体の表面支配サイズレジームを確認することもできる。
【００１８】
追加的な分析と技術とを用いて所与のＳＭＡ構造体の表面支配サイズレジームを確認することができる。例えば、減衰のように、ＳＭＡ構造体の表面積対体積比と何らかの機械的性質との相関関係が観察された場合、構造体は確かに表面支配サイズレジームを有しており、そのレジームのおおよその範囲を決定することができる。実験としては、所与のＳＭＡ構造体を半分に切断することができ、一方の半分の表面を他方の半分の表面に対して研磨または粗化し、そのため２つの半分は、同様の特性を有するものの表面粗さが異なる。構造体が表面支配サイズレジームにある場合、２つのサンプルの超弾性マルテンサイトサイクルの機械的な応答が明らかとなる。２つのサンプルのマルテンサイトサイクルのヒステリシスが、２つのサンプル間で大きく異なる場合、構造体サイズは表面支配レジームにあり、２つのサンプルについてヒステリシスが類似している場合には、構造体サイズは表面支配レジームにはない。
【００１９】
実験的試験の一例では、ＳＭＡワイヤなど選択されたＳＭＡ構造設計の複数のサンプルが、例えば、ＳＭＡワイヤの直径範囲などの表面支配サイズレジーム内となることが可能な特徴サイズの範囲を備えて製造される。ＳＭＡサンプルは全て図形サイズ以外で共通の特性を有しているのが好ましく、表面粗さを含めて実質的に同一の表面状態を有しているのが好ましい。選択された図形サイズは、ＳＭＡサンプルごとに調整される。Ｃｕを含むＳＭＡ材料において、図１に示すように、約１０ミクロン〜約２００ミクロンの間となるようにして表面支配サイズレジームが確立されており、この範囲内およびこの範囲の周囲の図形サイズを有するサンプルを生成することによって所与のＣｕ系ＳＭＡ構造体ついてそのことを確認することができる。その他の合金系についても、この約１０ミクロン〜約２００ミクロンの範囲程度の図形サイズを初期解析の間に生成することができる。いくつかのＳＭＡ構造体のサイズについては、既に公表されている文献の報告が、そのＳＭＡ材料および構造体には表面支配サイズレジームが存在することを最初に確認したり、また表面支配サイズレジームサイズ境界の一般的な見込み（expectations）を把握したりするのに好ましい。
【００２０】
初期解析後、図形サイズの具体的な範囲を実験的に試験して、表面支配サイズレジームの境界を決定することができる。実験用に生成された異なるサンプルのサイズの間のサイズ間隔は、所与の用途に必要とされる精度に基づいて設定することができる。例えば、１０ミクロンの図形サイズ間隔を開始点として使用することができる。したがって、製造される異なる図形サイズのサンプル数も、所与の用途に必要とされる精度に基づいて設定される。所与の用途に対する必要に応じて、少なくとも約５個のサンプルであって、例えば、１０個以上のサンプルを用いることができる。生成されたサンプルは、次に、マルテンサイト変態を生じる既知のひずみに対して各々暴露され、１つまたは複数の変態サイクルが、各サイクルのエネルギー減衰が測定される状態で、課せられる。次に、図１Ａのプロットに示されたような３つのサイズレジームの各々が、識別可能になる。表面支配サイズレジームとは、変態サイクルのエネルギー減衰が図形サイズへのエネルギー減衰度の依存性を示している図形サイズの範囲である。他のサイズレジームＩおよびＩＩＩは、図形サイズへの変態サイクルエネルギー減衰の依存性によって特徴付けられていない。図１Ａのプロット例に示すように、レジームＩおよびＩＩＩにおいて、エネルギー減衰は、任意の図形サイズに対して比較的一定である。したがって、レジームＩとＩＩとの間の図形サイズの境界およびレジームＩＩとＩＩＩとの間の図形サイズの境界は、図形サイズへのエネルギー減衰の依存の状態を生じる図形サイズと、図形サイズから独立したエネルギー減衰の状態を生じさせる図形サイズとを有するサンプルを試験することによって決定することができる。
【００２１】
所与のＳＭＡ構造体をその構造体の３つのサイズレジームを識別するように特徴付けした後、表面支配サイズレジームをさらに特徴付けすることも可能である。特に、選択されたＳＭＡ構造体についての特定の関数関係を決定するのが好ましく、該関数関係とは、該構造体の表面粗さの度合いとその表面粗さについて生成されるマルテンサイト変態エネルギー減衰との間に存在する該ＳＭＡ構造体についての関数関係である。このことを決定する一実験技術では、選択されたＳＭＡ構造体の複数のサンプルを、該ＳＭＡ構造体に対して識別された表面支配サイズレジーム内にサイズ範囲を有する共通の構造的特徴を含んで製造することができる。各サンプルは、構造体の他の物理的性質が等しい状態を維持したまま、異なる既知の表面の粗さを所有するように処理される。例えば、複数のＳＭＡワイヤ一式における各ワイヤの表面粗さは、約１ｎｍから約５００ｎｍの間の表面粗さになるように加減することができ、各サンプルは、例えば、５０ｎｍの粗さ間隔で異なる粗さ度合いを有している。次に、異なる表面粗さを備えるワイヤの機械的試験を、例えば、各サンプルに既知のひずみを印加し、１つまたは複数の超弾性変態サイクル時に各サンプルの応力ヒステリシスを測定することによって行うことができる。各サンプルのエネルギー減衰に相当する応力ヒステリシスの測定により、構造体の表面支配サイズレジームについてのヒステリシスサイズと表面粗さとの間の関係が確立する。
【００２２】
図１Ｂは、応力ヒステリシスΔσまたは変態サイクル中に散逸されるエネルギー量として示され、また表面粗さＲｑの関数として示される、エネルギー減衰と表面粗さとの間の２つのプロット関係例を含む。ここに示した関係は、本質的な概略のみである。概して、所与のＳＭＡ材料、構造配置、および表面状態は、性質の異なる別の関係性形状となる。しかし、いかなる特別な関係形状が所与のＳＭＡ構造体と表面粗さについて存在しても、その関係が単調に増加していること、すなわち、より大きな表面粗さが、より小さい表面粗さによって生成される減衰より大きいかまたは同等の減衰をもたらすことが理解される。表面支配サイズレジームにおけるＳＭＡ構造的特徴の表面粗さの減少は、プロット図に示すように、マルテンサイト変態サイクル時の構造体によるエネルギー減衰の減少につながる。ここでも、エネルギー減衰と表面粗さとの関係が、性質の異なるＳＭＡ材料および構造的配置については異なる可能性があることが認識され、一般的に適用可能な関係というものはない。したがって、所与のＳＭＡ材料および／または構造的特徴構成については、該材料と該特徴とを特徴付けて、該ＳＭＡ材料と該特徴とについてのエネルギー減衰と表面粗さとの間の特定の対応関係を決定することが好ましい。
【００２３】
このような関係が成立すると、意図する用途のためにＳＭＡ構造体の所望のエネルギー減衰の度合いを演繹的に予め指定することができ、指定された減衰を生成する表面粗さを備える該構造体の表面が適切に加工される。図１Ｂにおいてプロットされたような関係をハードウェアまたはソフトウェアで実装して、所望のエネルギー散逸の度合いを達成するのに必要な表面粗さの自動決定を可能にすることできる。例えば、表面支配エネルギー減衰レジームに構造的特徴を有するＳＭＡ構造体がある場合、決定した関係によって指定された粗さ量に表面粗さを加減する選択済処理状態に該構造体を暴露して、予め選択されたエネルギー減衰を提供することができる。例えば、構造体の表面粗さを、例えば、ＳＭＡ構造体を研磨することによって減少させて、比較的低度のエネルギー減衰を達成することができる。こうした状態は、例えば、エネルギー損失が小さいことおよび疲労寿命が長いことが要求されるＳＭＡアクチュエータの用途において望ましい。あるいは、表面粗さを適切な表面改質法によって増加させて、比較的大きな具体的なエネルギー減衰度を達成することもできる。こうした状態は、例えば、機械的振動、衝撃、音などのエネルギーを減衰させるために提案されたＳＭＡデバイスに望ましい。したがって、表面粗さと表面支配エネルギー減衰との間の直接的な関係が、所与のＳＭＡ材料構造体に対して完全に特徴付けられた後、ＳＭＡ材料構造体を操作して指定のエネルギー減衰度を生成することができる。次に、エネルギー減衰特性に基づいて表面粗さを相応に制御することによって、ＳＭＡ材料構造体を異なるエネルギー減衰要件を備える広範囲の用途において使用することができる。
【００２４】
指定のエネルギー減衰度を生成するためのＳＭＡ構造体表面の制御では、構造体表面は、構造体表面にわたって均一な状態を呈するように処理することができるか、または構造体表面は、各々が異なるサイズスケールの表面粗さ特徴をもつ複数の層を有するカスタマイズされた表面トポロジーを含むことができる。このようなトポロジーのカスタマイズを使用して、例えば、エネルギー減衰および１つまたは複数のその他の機械的特性の両方の制御が可能になる。例えば、高程度のエネルギー減衰だけでなく長疲労寿命を必要とするＳＭＡ用途にとって、ＳＭＡ構造体の表面粗さを調整して、２つの粗さレベル、つまり、一方は微視的または局所的なレベル、一方は巨視的または全体的なレベルの粗さを導入することによって、両方の目標を達成することができる。図２は、超弾性ＳＭＡの構造体１２の加減された表面１０の例を概略的に示している。比較的小さいサイズスケール１４において、構造体１２は第１の表面粗さ範囲を示し、比較的大きいサイズスケール１６において、構造体は、第２の表面粗さ範囲を示している。
【００２５】
図２に提示された例では、一般にＳＭＡアクチュエータの疲労寿命に影響を与える局所スケール表面粗さが低く、つまり表面は局所的には平滑になっている。大きなサイズスケール１６の表面粗さは、選択された比較的高程度のエネルギー減衰を可能にするために逆に比較的粗くなっている。この異なるサイズスケールでの異なる表面粗さ度合いの組み合わせにより、ＳＭＡ構造体は、従来は反対である動作特徴を同時に所有することができる。したがって、減衰を含むＳＭＡ構造特性の範囲は、適切な表面改質法によって構造体の表面の形状や性質を制御することによって対処することができる。
【００２６】
この表面粗面性または平滑性の制御は、任意のＳＭＡ構造体に概して適用可能であるが、構造体の１つまたは複数の構造的特徴のうちの長さが、構造体の機械的特性が上記定義したようにして表面支配されているサイズレジーム内であることを条件とする。単結晶ＳＭＡ構造体、多結晶ＳＭＡ構造体、および他のＳＭＡ形態を含む任意のＳＭＡ形態を使用することができる。例えば、内部粒界面積よりも大きな表面積を有すると本明細書で定義されるオリゴ結晶ＳＭＡ構造体は、以下に説明するように、例えば、バンブー構造を伴って使用することもできる。
【００２７】
これらの種々の形態について、超弾性および／または形状記憶特性を示す多様なＳＭＡシステムのうちの任意のシステムを本明細書の表面制御方法とともに使用することができる。一般に、好適に選択されたＳＭＡ材料は、オーステナイトとマルテンサイトとの間の可逆的相変態によって特徴付けられる。さらに、多くの用途にとって、ニチノールまたはＮｉ−Ｔｉとしても知られているニッケル−チタン合金と、ニッケルチタン系ではない、Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ、Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ、Ｃｕ−Ａｌ−Ｂｅ、Ｆｅ−Ｍｎ−Ｓｉ、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ他などの合金との間を区別することが好ましい。Ｎｉ−Ｔｉ合金では、マルテンサイト相変態は、Ｂ２結晶構造を有し空間群Ｐｍ３ｍに属する高温オーステナイト相と、Ｂ１９結晶構造を有し空間群Ｐ２１／ｍに属する低温のマルテンサイト相との間となる。他の形状記憶合金システムも、オーステナイトからマルテンサイトに変態するが、マルテンサイト相だけでなくオーステナイト相もまたＮｉ−Ｔｉとは異なる結晶構造及び空間群に属することがよくある。
【００２８】
多くの用途にとっては、Ｎｉ−ＴｉＢ２オーステナイトからＢ１９’マルテンサイトへの変態以外の変態を有する合金システムとともに本明細書の表面制御方法を用いることが好ましい。Ｂ２オーステナイト構造と空間群Ｐ２１／ｍを有するＢ１９’ではないマルテンサイト構造とを有する変態を含むその他の変態によって特徴づけられる合金システムが好ましい。Ｎｉ−Ｔｉ以外の合金システムにおけるオーステナイト相は、空間群Ｆｍ３ｍ、Ｐｍ３ｍ、またはその他を備えるＬ２１、ＤＯ３、Ｂ２、またはその他の立方晶であることが多い。以下の表１は、ラムスデル表記における、マルテンサイト結晶構造例および本明細書の表面調節方法にとって好ましい各合金のマルテンサイト結晶構造の空間群の例の一覧である。
【表１】
2016540121.tif 000003
【００２９】
以下の表２は、本表面調節方法に非常に適するＳＭＡ材料であり、かつオーステナイトから空間群Ｐ２１／ｍに属するＢ１９’マルテンサイト結晶構造に変態しないＳＭＡ材料の多くの例の一覧を提示する。また、多くの用途にとって、少なくとも約１０重量％のＣｕを含む組成物によって特徴付けられるＳＭＡ材料を使用するか、あるいは、少なくとも約５重量％のＦｅ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｍｎ、およびＣｏのうちの１つまたは複数の要素を含むＳＭＡ材料組成物を使用するのが好ましい。換言すると、複数の用途では、ＳＭＡ組成物が、少なくとも約１０重量％のＣｕ、少なくとも約５重量％のＦｅ、少なくとも約５重量％のＡｕ、少なくとも約５重量％のＡｇ、少なくとも約５重量％のＡｌ、少なくとも約５重量％のＩｎ、少なくとも約５重量％のＭｎ、少なくとも約５重量％のＺｎ、少なくとも約５重量％のＣｏのうち少なくとも１つを含むことが好ましい。
【表２】
2016540121.tif 000004
【００３０】
どのＳＭＡ合金組成物が表面調整方法とともに選択されて使用されても、その材料は、表面支配サイズレジームとして特徴付けられる、ＳＭＡ材料に対して決定される長さスケール内になる範囲またはサイズを有する少なくとも１つの構造的特徴を備える。このサイズレジームは、所望のＳＭＡ用途のために、任意の適切な方法で構造体に課すことができ、また特別な構造的特徴配置や設定は必要ない。制御された表面仕上げを有するＳＭＡ構造は、任意の適切な形状をとることができ、上述のワイヤ構造例に限定されるものではない。ＳＭＡ構造体は、特定の形態に限定されるものではなく、多結晶、オリゴ結晶、又は単結晶の微細構造を示すことができる。任意の形態について、図面３Ａ〜３Ｅ、図４Ａ〜４Ｅ、および図５Ａ〜５Ｃを参照すると、ＳＭＡ材料は、表面支配サイズレジーム内で直径ｄを有する、図３Ａ〜３Ｂのような、ワイヤまたはワイヤ状ロッドなどの特徴を有する構造体の製造において使用することができる。任意の形態を使用できるが、材料が多結晶の場合、直径ｄが構造体の粒子２０の範囲より大きくないことを要求する追加的制約が課されることがある。図３Ｂに示されるように、これにより、概してワイヤの直径の幅をもつ（spanning）複数の粒子が、ワイヤの長さに沿って構成される多結晶バンブー構造が生じる。
【００３１】
図３Ｃを参照すると、超弾性合金膜、層、または平面構造２８の構成で提供されるＳＭＡ構造体の例が示されている。平面構造２８は、平面構造による表面支配エネルギー散逸のためにサイズレジーム内になるように生成された厚さｔが特徴である。必要に応じて、構造体の粒子２０の範囲よりも大きくならないようにこの平面構造の厚さをさらに制御することができ、それによって、粒子が概して構造体の厚さ全体に亘るようになる。
【００３２】
図３Ｄでは、適切なＳＭＡ構造体のさらなる例であって、ここでは、フォームのいたるところにストラットを有する超弾性合金オープンセルフォーム３０の構成の構造体が示されている。同様に、クローズドセルフォームを使用することもできる。個々のセルのストラットの幅（span）ｗは、ＳＭＡ構造体による表面支配エネルギー散逸のサイズレジーム内になるように生成される。さらに、構造体の粒子２０の範囲より大きくならないように幅を指定することができ、それによって粒子が概してフォームのストラット幅全体に亘るようになる。図３Ｅでは、適切なＳＭＡ構造のさらなる例であって、ここでは、管壁厚ｘを有する超弾性合金チューブ２９の構成の構造体が示されている。チューブの管壁厚ｘは、ＳＭＡ構造体による表面支配エネルギー散逸のサイズレジーム内になるように生成される。選択された用途の必要に応じて、さらに、構造体の粒子２０の範囲よりも大きくならないように壁厚を生成することができ、それによって、粒子が概してチューブ壁厚全体に亘るようになる。
【００３３】
ＳＭＡ構造体は、多様な超弾性合金構成素子によって任意の適切な方法で構成され、所与の用途について、構造体の表面調整を備えた所望の構造配配置を生成することができる。例えば、図４Ａを参照すると、平面ＳＭＡ合金構造体は、基板３４上に支持される片持梁３２として構成することができる。図４Ｂに示されたように、平面合金構造体は、基板３４によって膜縁で支持されたフリースタンディング型自立板または膜３６として構成することができる。あるいは、アーチ橋状の合金表構造体３８を支持体または基板３４上に備えることもできる。図４Ｄのような、構造内に自由に配置されるまたは組み込まれる合金薄帯４０などのその他の構成をＳＭＡ構造体内に製造することができる。図４Ｅを参照すると、平面合金構造４２は、基板３４またはその他の構造に対して垂直に配置することもできる。図４の各構造体例において、梁、膜、ブリッジ、またはリボンの厚さなどの１つの特徴は、構造体による表面支配エネルギー減衰のために指定されたサイズレジーム内になる。
【００３４】
概して、表面支配エネルギー減衰サイズレジーム内ではないＳＭＡ構造素子および幾何学的特徴をＳＭＡ構造体に含めることも可能であり、また超弾性ではできない特徴を該構造体に含めたり組み込んだりすることもできる。このような非超弾性要素は、超弾性合金の相変態を可能にする任意の適切な構成において超弾性合金と接触または接続することができる。さらに、超弾性合金からなる２つ以上の異なる組成物を、該構造体構成に含めることもできる。
【００３５】
ＳＭＡ繊維またはワイヤは、表面調整のために任意の適切な配置において同じように構成され、選択されたエネルギー減衰を達成することができる。図５Ａを参照すると、超弾性合金ワイヤまたは繊維２５を繊維シート４５に織って、例えば、布のように繊維織物として使用することができる層からなる織成シートであるＳＭＡ構造体を形成することができる。このような合金ワイヤまたは合金繊維は、図５Ｂに示すように、同軸配置を含み、選択された用途のために、捩ったり、編んだり、絡めたり、そうでなければ束内になるように構成されたりした繊維２５からなるケーブルまたは束４８に束ねることができる。図５Ｃに示すように、繊維２５またはワイヤは、編物シートか、チューブか、または他のワイヤまたは繊維からなる構成を生成するための編物構成５０に編むことができる。このような構成において、織物または編物は二次元であってもよく、あるいは、構造体の積層（build-up）の方向における任意の適切な多次元織物または編物によって特徴付けることができる。このような複数の個別のワイヤまたは繊維を備える構造体では、１つまたは複数の非超弾性繊維またはワイヤが編物または織物に含まれた状態で、１つまたは複数の繊維またはワイヤを超弾性合金とすることができる。こうしたフェルトなどの複合構成では、ＳＭＡワイヤが織物または編物配列に広がり、構造体を通して等方エネルギー散逸を提供することができる。あるいは、構造体内のすべての繊維またはワイヤが、１つまたは複数の超弾性合金組成物から成ってもよい。
【００３６】
図３、図４、および図５の構造体例では、構造体の少なくとも１つの特徴は、構造体のマルテンサイト変態時に表面支配エネルギー散逸のためのサイズレジーム内になる範囲によって特徴付けられる。多くの用途について、この図形サイズ範囲は、約１ｍｍより小さくかつ約１μｍより大きい。つまり、ワイヤ径、フォームストラット径、膜厚、リボン厚、梁またはブリッジ断面厚、チューブ壁厚、または他の特徴範囲などの特徴が約１ｍｍ未満かつ約１μｍ以上であると、マルテンサイト変態サイクル時にエネルギー散逸の表面支配サイズレジームにおける特徴挙動が生成される。多くの用途について、約５００μｍより小さくかつ約１μｍより大きい範囲の図形サイズを指定して、エネルギー散逸の表面支配サイズレジームの特徴挙動を生成することができる。
【００３７】
これらの材料仕様およびサイズ仕様により、選択されたエネルギー減衰度を生成するために表面調整によってカスタマイズされるＳＭＡ材料構造と幾何特性が選択される。このような一例においては、ワイヤ径約２０μｍ〜約２００μｍを有するＣｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金からなる超弾性ワイヤがあり、その構造をオリゴ結晶にして表面支配エネルギー散逸のサイズレジーム内とする。
【００３８】
表面支配構造体形状に配置された選択ＳＭＡ材料を用いて、ＳＭＡ構造体の表面粗さを加減して、選択されたエネルギー減衰度を生成する表面状態を達成することができる。表面を平滑化または粗化することによって、所望の表面平滑性を達成する任意の適切な処理条件に構造体を暴露することができる。すなわち特別な表面処理は必要ない。以下の一覧に粗化および平滑化技術の例を記載する。ブランチング、機械研磨および／または粉砕、化学、電気化学、または機械エッチング、肌焼、セラミックグレージング、クラッディング、コロナ処理、浸炭や窒化などの拡散加工、電気めっき、亜鉛メッキ、金メッキ、グレージング、ローレット加工、塗装、陽極酸化や、ブルーイングや、クロメート化成皮膜や、リン酸塩皮膜処理や、パーカライジングや、プラズマ電解酸化などによる化成処理／化成被覆、プラズマ溶射、粉体被覆、化学蒸着（ＣＶＤ）や、電気メッキや、電気泳動堆積（ＥＰＤ）や、機械的めっきや、スパッタ堆積や、物理蒸着（ＰＶＤ）や、真空メッキや、他の堆積処理などによるＳＭＡ構造体の表面上のコーティングまたは他層における選択された１つまたは複数の材料の薄膜堆積、硝子体エナメル加工、サンドブラストなどのブラスト処理、バニシング、化学機械平坦化または化学機械研磨（ＣＭＰ）およびバフ研磨などの研磨、電解研磨、火炎研磨、ガスクラスターイオンビーム処理、研削、工業用エッチング、ベルト研削、タンブル仕上げおよび振動仕上げなどの大量仕上げ加工、酸洗い、ショットピーニングなどのピーニング、磁場アシスト仕上げなどの超仕上げ、およびその他の適切な表面調整処理。
【００３９】
上記のリストに記載の表面調整技術の多くは、必要に応じて、ＳＭＡ構造体表面の粗化または平滑化のいずれかに適用させることができる。例えば、エネルギー減衰を増加または減少させるべく表面をそれぞれ相応に粗化または平滑化するために、研磨紙を用いた機械的研磨の条件を適用することができる。比較的低いグリット番号を備える粗い研磨紙を機械的研磨に用いて表面粗さを増加させることができる一方、比較的高いグリット数を有する細かい研磨紙を機械的研磨に用いて表面粗さを減少させることができる。同様に、表面電解研磨の条件を適用して、平滑表面仕上げまたは粗面表面仕上げのいずれかを生成させることもできる。電解電圧を制御して、表面を平滑化または粗化する条件を生成することができ、また所与の材料について特定の研磨電圧よりも高いまたは低い電圧を用いて、巨視的には大きな起伏を備えた微視的には滑らかな表面を生成することもできる。このようにして、上述された図２に示されたような階層的な表面粗さを生成することができる。
【００４０】
さらに、他の表面調整技術を表面粗化または平滑化用にカスタマイズすることができる。例えば、化学エッチングの条件を適用して表面を粗化または平滑化することができる。多様な化学エッチング剤で表面を平滑化する一方で、別の化学エッチング剤で表面を粗化し、またＳＭＡ構造体の組成および形態を利用して化学エッチングの効果を調整して、例えば、表面欠陥を除去したりまたは表面侵食を生成したりすることができる。多様な材料加工技術を調整および適用させて、表面支配サイズレジームに図形サイズを有するＳＭＡ構造体におけるエネルギー減衰を制御するための方法において、ＳＭＡ表面粗化または表面平滑化の選択度合いを提供することができることをこれらの実施例は実証している。
【００４１】
選択された表面調整処理を用いて、ＳＭＡ構造体表面は、表面粗さＲｑの二乗平均平方根および／または算術平均表面粗さＲａなどの表面粗さの度合いにより特徴付けられる。どんな粗さ長（roughness metric）であっても、上述したように、表面粗さは、マルテンサイト変態サイクル時の対応するＳＭＡ構造体エネルギー散逸に直接相関させることができる。低ＳＭＡマルテンサイト変態エネルギー散逸を必要とする用途については、約１００ｎｍ以下のＳＭＡ構造体表面粗さＲｑ、かつ約８０ｎｍ以下の算術平均表面粗さＲａが好ましい。大きいエネルギー減衰が所望される用途については、表面粗さＲｑは、より大きな値に調整されることができ、例えば、Ｒｑは、約１００ｎｍ〜１５０ｎｍ、約１５０ｎｍ〜２００ｎｍ、約２００ｎｍ〜２５０ｎｍ、約２５０ｎｍ〜３００ｎｍ、約３００ｎｍ〜４００ｎｍ、約４００ｎｍ〜５００ｎｍ、約５００ｎｍ〜１０００ｎｍ、またはこれ以上の範囲となる。反対に、低いエネルギー減衰を達成するためにより平滑なＳＭＡ構造体表面を必要とする用途については、平均表面粗さＲａは、約１０ｎｍ〜５０ｎｍ、約５０ｎｍ〜８０ｎｍ、約８０ｎｍ〜１００ｎｍ、約１００ｎｍ〜２００ｎｍ、約２００ｎｍ〜５００ｎｍ、約５００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲であるのが望ましい。表面粗さが増加するにつれて、マルテンサイト変態サイクル時に達成される減衰量が増加し、また減衰量は特定の用途に必要とされる度合いに相応するように調整されることができる。
【００４２】
それによって、表面調整方法を多様な用途の設計および製造において実施することができ、該用途は、例えば、医療機器、スマートファブリック、感知機能などのための感知および作動、超弾性運動、エネルギー減衰を含む。以下の一覧では、表面支配体サイズレジームに特徴を有するＳＭＡ構造体を表面調整方法によって操作して、必須のエネルギー散逸度を達成することができる複数の例を提供するが、限定的ではない。医療機器であって、インスリンポンプ、薬物放出デバイス、血管を通るカテーテルのためのガイド、ガイドワイヤおよびガイドピンのような操縦可能な医療機器、骨縫合アンカー、スーチャーレトリバー、遠隔縫合またはステープル装置およびステアリング装置、ステント、肺塞栓症用フィルタ、および胆石コレクタ、装具、歯列矯正ワイヤ、歯内治療ヤスリなどの医療機器と、従来は圧電材料によって対処された用途を含むアクチュエータであって、例えば、時計ばね、ロボット用人間状筋肉、燃料噴射弁アクチュエータ、メガネフレーム、ヘッドホン、靴インサートとしての靴、釣りロッド、釣糸ショックリーダ、ゴルフクラブシャフト、ヘルメット、ラケットなどのスポーツ用品、自動車ラジエータ、フラップアクチュエータとしてのエアコン、ＨＶＡＣシステム用グリルルーバー、リアビューミラー、おもちゃおよびグリーティングカードのモーションアクチュエータ、太陽集光器アクチュエータ、ユーティリティ配管雪氷除去パルスアクチュエータ、ドローン制御作動、適応ヘリコプターブレード作動、ジェットエンジン用可変ジオメトリシェブロン、岩石破砕などの機械的作動作業などのアクチュエータと、調理用途および熱用途のための温度センサおよび温度スイッチであって、原子力発電所の安全感知および安全作動、窓および窓ブラインドの感知および作動、抗火傷センサ、火災センサおよびスプリンクラの作動、電流断続器のための熱制御などの温度センサおよび温度スイッチと、デシケータセンサおよびアクチュエータ、コンピュータおよびタブレットなどの機械構造用のラッチリリースなどの機械的クロージャおよびラッチ、あるいはコンピュータカードまたはディスク用のエジェクタなどのエジェクタアクチュエータと、機械的制御構造であって、振動制御およびフィードバックなどにおける、シートベルト締め具、ガスマスク配備、カメラフォーカスおよび画像安定化、コンピュータおよび電話の触感（haptics）などのタッチベース通信などのための機械制御構造であって、該振動制御およびフィードバックは、エンジンマウント振動制御、橋や建物の地震減衰、携帯電話カメラボイスコイル減衰ばね、携帯電話アンテナ、およびアクティブまたはパッシブドライブトレイン振動制御などにおける振動制御およびフィードバックである機械制御構造と、マイクロモータとしての微細動作であって、歯ブラシやカミソリのような消費者使い捨て器具などの用途のためのマイクロモータとしての微細動作と、着用可能な電子機器および衣料であって、自己発熱衣服、帽子リム、ブラジャーのアンダーワイヤなどの電子機器および衣料と、締め具および連結器であって、超小型回路およびＬＥＤ冷却などの微小流体の用途における、衛星解放ボルト、管継手、ポンプおよびバルブなどの��め具および連結器と、ポンプおよびバルブであって、石油、ガス、または水ポンプ用のポンプおよびバルブならびに油井およびガス井用の噴出防止弁と、エネルギー散逸であって、バンパー減衰および衝突吸収などのための自動車のフレームにおける胴体防護具などにおけるエネルギー散逸、熱弾性冷却における熱機関における減衰フェルトとしての減衰のためのエネルギー散逸、および音響減衰などのその他の減衰のためのエネルギー散逸。
【００４３】
図６は、ＳＭＡアクチュエータ５０の例を概略的に示しており、このＳＭＡアクチュエータ５０のために表面調整方法を用いて所望のエネルギー減衰度を生成することができる。ＳＭＡアクチュエータ５０の例は、リニアストロークを生成するためのピストン５６を有する作動ケーシング５４のばね構成に配置されているＳＭＡリボン、ワイヤ、または類似のばね構造体５２として構成されている。バイアスばね５８はケーシング内に設けられており、また任意の適切な金属またはポリマーからなり、適当な剛性を有するように設計されている。最初の状態（Ｉ）において、ＳＭＡのばね構造体５２は作動されず、マルテンサイト相にある。第２の状態（ＩＩ）では、ＳＭＡのばね構造体５２は、作動刺激によって作動されており、オーステナイト相になっている。この相変態とともに、ＳＭＡばねは、ピストン５６のストロークを生成する。高い疲労寿命が所望されエネルギー散逸が概して不要な本用途については、ＳＭＡワイヤの表面は、大幅に減衰エネルギーを消散しないように比較的滑らかに処理される。
【００４４】
図７は、対照的なＳＭＡデバイスの構成６０の例を概略的に示しており、ＳＭＡデバイスの構成６０については、ここでは振動制御のために比較的大きなエネルギー減衰度が所望される。この構成は、布または他の層として織られたかまたは共に構成された、構造支持部材６４、６６の間に接続されたＳＭＡのワイヤ６２の二次元配列を含む。織成配列（woven arrangement）の面に平行な少なくとも１つの力成分を有する力６８が、エンジン、ボール、車、人、弾丸、またはその他の物理的対象物などの対象物によって構成６０にぶつかって発揮される場合、構成６０のワイヤ６２が伸張して、少なくとも部分的にマルテンサイト相変態して、変態中にエネルギーを散逸する。エネルギーの散逸が好ましいこの用途については、ＳＭＡワイヤの表面は、織成ワイヤの構成における機械的エネルギーの減衰を高めるように、比較的粗く処理されている。
【００４５】
これらの例は、調整済表面が備えられたＳＭＡ構造体で相変態を起こすために、任意の適切な刺激入力を使用できることを示している。一般に、相変態は、所定のＳＭＡ構造体にＳＭＡの変態温度より高温の応力を加えることによって開始することができる。構造体の活性状態と非活性状態との間の温度差は約２℃より大きいことが好ましい。一例では、オリゴ結晶ＳＭＡ構造体が周期的に変態することができ、活性化することができる温度範囲は、約−２００℃〜約＋２００℃の間である。
【００４６】
しかし、マルテンサイト変態は、熱、磁気、電磁気、または他の適切な刺激環境に対してＳＭＡ構造体を暴露することによって引き起こすことができる。例えば、ＳＭＡ構造体は、構造体の周囲の蒸気または流体雰囲気の温度制御により、熱的に作動させることができる。あるいは、構造体に通電することによってＳＭＡ構造体変態を活性化させて、構造体の加熱を引き起こすことができる。さらに、構造体に磁場を印加することによってマルテンサイト変態を引き起こして、磁気変態ヒステリシスサイクルを生成することができる。熱変態ヒステリシス減衰サイクルおよび磁気変態ヒステリシス減衰サイクルは、いずれも、応力ヒステリシスが超弾性サイクル変態と関連しているように、それらのサイクルのエネルギー散逸と関連している。全ての場合において、サイクル変態中に散逸されるエネルギーは、表面支配サイズレジームに図形サイズを有するＳＭＡ構造体の表面調整により制御される。
【００４７】
［実施例１］
以下の方法を使用して粗面および平滑面を備えるＣｕ−Ｚｎ−Ａｌオリゴ結晶ワイヤの複数のサンプルを生成した。Ｃｕ−Ｚｎ２２．９−Ａｌ６．３（重量％）の組成をもつ形状記憶合金の固体片を、４ｍｍの内径と作業温度１２５０℃以下とを有するアルミノシリケートガラス管に入れた。チューブの内部を低真空条件に曝し、酸素アセチレンバーナーを使用して、金属が溶融しガラスが軟化するまでガラス／金属を加熱した。次に、コアに溶融金属を備える軟化したガラスキャピラリを、バーナーのホットゾーンから引き抜き、キャピラリ径を減少させて、キャピラリを硬化させた。この引き抜き処理後の結果、直径８０μｍのガラスコーティングされた金属繊維が得られた。該繊維をアルゴン雰囲気下において８００℃で３時間アニールし、水急冷した。アニール中に粒子は、ワイヤ断面に亘るように成長し、バンブー粒子構造を形成して、オリゴ結晶の基準を満たした。
【００４８】
アニール後、１０％以下の希フッ酸水溶液に浸漬することによってガラスコーティングを除去した。ガラスを除去した後のワイヤ表面は、ワイヤ軸に平行に走る谷を連想させる特徴を備え、むしろ粗いと認められた。各ワイヤを、ワイヤサイズに応じて３０〜１２０秒間、体積で６７％のリン酸と３３％の脱イオン水からなる電解液中で電解した。磁気攪拌棒を使用して毎分８０回転で電解液を攪拌し、電解液の循環流を生成した。２つの純銅電極をワイヤとともに電解液中に浸漬し、電圧制御可能な電流測定した電源に回路内で接続する。研磨電圧２．８Ｖを研磨処理用に設定した。陽極として指定された一方の電極を、ＳＭＡワイヤの端部を導電銅テープでそこに貼り付けた状態で配置した。ワイヤを、電解液の流線に沿って配向した。陰極として指定された他方の電極は、陽極より大きい表面積を備えて用意された。この研磨構成状態で、電源を約１分間オンにした。
【００４９】
電解研磨後、図面のワイヤの粗い特徴が除去された。表面は平滑になり、ワイヤ直径は均一になった。直径６５μｍの研磨済ワイヤの示差走査熱量測定（ＤＳＣ）では、ワイヤのマルテンサイト変態温度をＡｆ２５℃以下、Ａｓ９℃以下、Ｍｓ８℃以下、Ｍｆ−６℃以下であると判断した。
【００５０】
図８Ａ〜図８Ｂは、それぞれ研磨の前と後のワイヤの原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）トポグラフィ画像である。ワイヤ軸に対して平行に走る谷が、未研磨ワイヤの特徴である。図８Ｂに示された研磨済ワイヤは、処理に関連した粗さが除去された平滑面を示している。表面粗さの定量的大きさを得るために、従来の方法でトポグラフィ測定値に基づき一次平坦化を用いてワイヤの曲率を差し引いた後に計算した、二乗平均平方根表面粗さＲｑおよび算術平均表面粗さＲａを決定した。二乗平均平方根表面粗さＲｑは、研磨済ワイヤについては１０ｎｍであり、未研磨ワイヤについては１２５ｎｍであることが分かった。算術平均表面粗さパラメータＲａは、研磨済ワイヤについては７ｎｍであり、未研磨ワイヤについては８８ｎｍであることが分かった。
【００５１】
マルテンサイトＳＭＡ変態中のエネルギー減衰に対する表面粗さの役割を調査するために、図面のワイヤの１本を半分に切断し、一方の半分を上記のように電解研磨した。未研磨のワイヤ（粗面）の直径は８０μｍで、研磨済ワイヤ（平滑面）の直径は、表面層が除去されているため４１μｍだった。図１Ａのプロットに示すように、これらのワイヤ径の両方が表面支配図形サイズレジームにある。ワイヤの機械的特性は、したがって表面効果支配的であると理解される。
【００５２】
次に、これら２本のワイヤを、動的機械分析装置、すなわち、デラウェア州ニューキャッスルに所在するＴＡインスツルメント社製のＤＭＡＱ８００において３５℃での張力で試験し、変態時には負荷速度１０ＭＰａ／ｍｉｎ−１の負荷制御で運転した。ゲージ長は、研磨済ワイヤについては８．２ｍｍ、未研磨ワイヤについては５ｍｍであった。
【００５３】
図９Ａは、初回のマルテンサイト変態サイクル、すなわち、ワイヤがそれ以前に変形していない場合の粗いおよび平滑なワイヤの測定超弾性応力ひずみ曲線のプロット図を提示している。変態プラトー（transformation plateau）の斜面は、約６００ＭＰａでは類似しているが、平滑なワイヤに比べて粗いワイヤでは、前方プラトーはより高い応力になり、逆プラトーはより低い応力となっている。マルテンサイトを引き起こす応力は、粗いワイヤについては２６ＭＰａ、平滑なワイヤについては２０ＭＰａであり、粗いワイヤは、研磨済ワイヤよりもずっと大きなヒステリシスサイズを示す。ひずみ平均垂直ヒステリシスサイズは、粗いワイヤについては２１．５ＭＰａ、研磨済みワイヤについては８．５ＭＰａであった。つまり、２本のワイヤのエネルギー散逸は、２．５倍異なるということである。これは、実験ワイヤのマルテンサイト変態時に散逸するエネルギーを制御することができること、つまり、ここでは、ワイヤの表面を平滑化することによって２．５倍減少させることができることを示している。
【００５４】
Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌおよび他の多くのＳＭＡの特性は、約１０サイクル後に幾分安定した応答に到達するまで、複数のマルテンサイトサイクルにわたって進展する。図９Ｂは、曲線が定常状態に達していると理解される１０回目のサイクル時の粗いワイヤおよび平滑なワイヤについての測定超弾性変態曲線のプロット図を提示している。興味深いことに、今回は前方プラトーが類似している。ただし、２つの逆プラトーの間の差は大きいままである。実際、ヒステリシスサイズが、ここでは、粗いサンプルについては１１．３ＭＰａ、研磨後サンプルについては４．７ＭＰａなので、エネルギー散逸の度合いはなお２．５倍異なる。
【００５５】
これらの２つのワイヤサンプルのゲージ部は、粗いワイヤについては約４０グレーン、研磨後のワイヤについては６５グレーンであると推定され、したがって、粒子サイズおよび配向などの要因は、測定されたＳＭＡ特性における劇的な差異に影響するという点ではわずかな役割を果たすのみであることがわかる。さらに、両サンプルが同じワイヤから切断されたとすると、組成および転位密度などの内部微細構造が同じであると仮定される。最後に、図１Ａに示したプロットされたレジームに実証されたように、表面粗さが同じであるとすると、表面支配サイズレジームにおける小さいワイヤは、大きいワイヤよりも大きなヒステリシスを示すことがあり、これは、このようなワイヤが、より高い表面積対体積比を有し、したがってより広い表面積を有するからである。このサイズ効果は、オーステナイト／マルテンサイト界面によってワイヤ表面における障害物の採取が増加するためである。したがって、研磨後ワイヤの直径は、電解研磨工程による表面層の除去によってより細くなるが、このサンプルの単位体積当たりのエネルギー散逸は、粗いワイヤよりも小さいままであることが特に示唆されている。サイズの影響と同様に微細構造および組成の違いを排除した後、２つのワイヤ間の応力の差は表面粗さの違いに起因すると結論付けられる。
【００５６】
この説明では、構造体のＳＭＡ材料について定義された表面支配サイズレジームにサイズを有する特徴を含むＳＭＡ構造体について、マルテンサイト相変態時のエネルギー散逸量は、構造体の表面の粗さを制御することによって制御することができることが実証された。表面制御方法は、他の特性を損なうことなく機能性材料の変態性能を最適化する実用的な方法を提供し、強化された疲労性能などの性能結果を得るための多様な材料に適している。
【００５７】
当然ながら、当技術に対する本業績の思想および範囲から逸脱せずに当業者が上述の実施形態に種々の変更および追加を加えることができることが認められる。したがって、付与を請求する保護は、本発明の範囲内で主題請求項の範囲およびそのすべての均等物にまで公平に及ぶとみなされるべきと理解すべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ−８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【国際調査報告】
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