大分工業高等専門学校紀要

第 46 号(平成 21 年 11 月)

形状記憶複合材料 SMC の通電加熱による材料特性

清水宏美 1・伊藤哲 2・青木照子 2

1九州東芝エンジニアリング，2制御情報工学科

インテリジェント材料に関する研究はさまざまな分野で取り組まれている。その中でも特に，生体材料分野や医療分野への応用研究が注目されている。インテリジェント材料とは，材料自身が生命体のような機能を持った材料である．そのひとつとして，形状記憶ポリマー(SMP)シートで形状記憶合金(SMA)ファイバを挟み込んで，形状記憶複合材料(SMC)を製作する． SMA は相変態(温度以上(高温)になると弾性係数が大きくなり，SMP はガラス転移温度以下(低温)で弾性係数が大きくなる．これら 2 つの材料は温度によって相異なる特性を持つ．本研究では、アクチュエータに SMC を利用する場合に問題となる，SMC の機械的性質と温度の関係を SMC の SMA ファイバを通電加熱することにより実験的に明らかにした．アクチュ
エータ設計上有意義な基礎的データを得ることができたので報告する．

キーワード : 形状記憶複合材料，形状記憶合金，形状記憶ポリマー，３点曲げ試験，通電加熱

１．緒言

本研究では，温度による機械的性質の特徴を利用して，SMA ファイバと SMP を組み合わせた形状記憶複合材料

形状記憶材料は，インテリジェント材料として注目さ(SMC: Shape Memory Composite Material) を製作した．これている．インインテリジェント材料とは材料自身が生の SMC の機械的性質を，SMA ファイバへの通電加熱制体 機 能 を 持 っ た 材 料 で あ り ， 形 状 記 憶 合 金 (Shape

御による SMC の表面温度の測定および表面温度とたわ

Memory Alloy ： SMA) や 形 状 記 憶 ポ リ マ ー (Shapeみ係数の関係を明らかにし,アクチュエータとしての可Memory Polymer,：SMP) などがある． SMA は 1964 年

能性を検討する．にアメリカ海軍研究所で偶然 Ni－Ti 合金に形状記憶効果があることが発見された．その後，種々の SMA が研２．ＳＭＣの形状記憶特性究開発されているが，現在は，形状回復力が大きく，繰り返し使用が可能で，耐食性がよい Ni－Ti が実用材料(1)として使用されている．生活関連分野から医療・工学・通常の金属では塑性ひずみは回復しない．しかし，形宇宙産業まで幅広い分野に応用されている．一方 SMP状記憶材料の場合，加熱によって形状を回復する．

は形状の変化する駆動源の違いから熱活性ポリマーと電形状記憶処理をしたSMAは，マルテンサイト相におい気活性ポリマーがあるが，実用化されているのは熱活性て負荷を与えると容易に変形する．この変形はオーステ
ナイト変態終了温度 (Af) 以上に加熱すると逆変態によポリマーである。生態適合性が良いので，医療分野での応用(2)，(3)が期待されており，身体障害者用スプーンやフって，形状が変形前の状態になる．
SMPを沸騰(373K)した熱湯に入れて軟化させ，記憶さォークなどとして，実用化されている．
変形した結晶構造は，相変態温度以上に加熱されると，SMA は，低温では軟らかく負荷により変形しやすい．

せたい形状に変形する．その直後再び，沸騰した熱湯に10分間保持した後，氷水で急冷すると，SMPは形状記憶元の形状に回復する性質がある．この現象を形状記憶効する．形状記憶したSMPは，加熱(ガラス転移温度：Tg

果(4)といい，形状を回復する過程において大きな回復応以上)で軟らかく容易に変形することができ，冷却すると力が発生する．一方，SMP は高温では，軟らかく形状を硬くなりその変形した形状が固定される．この形状が固容易に変形することができる．高温で変形させた SMP

定されているSMPを加熱すると固定される前の形状を回を冷却するとその形状は記憶される．加熱されて変形し復する．
SMCは，SMPと同じ方法で形状記憶させる．SMAファ

た SMP を冷却すると元の形状に回復する．

―17―

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イバの形状記憶温度は約473Kであるから，SMAファイバ成し，いずれもステンレス鋼 SUS304 を用いて製作した．の形状記憶は保持されたまま，母材であるSMPが形状記

キャビティはSMCに挟みこむSMAの本数に対応した溝数憶されたことになる．図-1 は，SMCの形状記憶特性をCを加工している．まず,図-2に示す下型にSMPを設置する．

字型に形状記憶させたSMCを例に示す．SMCに挟んだ

SMAファイバは, 金型左端ストッパで固定した後，右端のSMAファイバを定電流電源装置で通電し，SMC全体を加巻取り軸の小径穴に差し込んで,SMP上に固定する．その際，熱する．このとき，直線形状を記憶しているSMAファイ張力がかからないようにした．SMP全面にシリコンゴム系バが形状回復しようとするために，C型のSMCが開き始接着剤を塗布し，その上にもう一枚のSMPを置き，上型をめる．その後，電源を切ると，今度はSMPがC字型に形載せて，24時間保持して成形する．成形したSMC 試験片状回復しようとする．

寸法例を図-3に示す．

３．実験方法(2)ＳＭＣの設計
SMAファイバとSMPから構成されたSMCを電気的に制御し，アクチュエータとして機能させるにはSMCの機(1)試験片SMCは，SMP2枚でSMAファイバを挟み込み製作する．

械的性質，特に鋼材のヤング率E に相当する係数が必要

SMPは，ポリオールとイソシアネートを原料に射出成形しイバおよびSMP単体を用いて，それぞれ3点曲げ試験を行た(株)コラボ製ポリウレタン系形状記憶ポリマーシート材

い，ヤング率に相当する係数として，たわみ係数DAおよであり，厚さ1.15mmである．幅20mm×長さ150mmに加工びDPを実験的に求めた．その結果を表-1に示す．

である．そこで，SMC設計の事前準備として，SMAファした．ガラス転移温度Tgは313K～333Kである．SMAは住本研究で目標とするアクチュエータは数本のSMAを2枚友金属工業(株)製Ti-Niファイバ(Ti50.2at%Ni)であり，直径のSMPで挟み接着したSMCを想定している．SMPに，φ0.4mmtoと0.5mmである．変態温度はAs=309K，Af=328K，0.4mmSMAファイバを3本，5本，7本およびφ0.5mmSMA

Ms=269KおよびMf=225Kである．直線形状を記憶させるたファイバを3本および5本挟み込んだSMC試験片を製作しめに，473Kで１時間保持した後，水冷処理を施した．

た．そこで，まず，SMCを構成するSMAファイバおよびSMCはSMAとSMPを用いて,図-2の成形金型で製作する． SMPの体積割合をそれぞれ体積率VAおよびVPとし，SMCの成形金型は，キャビティ(Cavity 厚さ6mm×幅50mm×長さ

たわみ係数Dc を式(1)に示す複合則によって求めた．

210mm)，下型 ( Base 厚さ6mm×幅50mm×長210mm) お
よび上型 (Cover 厚さ25mm×幅50mm×長差210mm) で構
CoverT  T g (SMC: 製 作
Heating

SMA: 直 線 形 状 記

CavitySMA
StopperT  T g (SMC:C 字CoolingWind憶)

Stopper型に変形)

T  T g (SMC:C 字HeatingBase型を記憶)
Fig-2

T  A f (SMC:開口View of molding tool

SMA: 直 線 形 状 回Cooling

復，SMP:変形)

SMP

SMA
150

T  T g (SMC: 形 状20回復，SMP:形状回復)

Fig-3
Fig-1 Process of SMC’s shape memory recovery―18―

SMC specimen大分工業高等専門学校紀要

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DC  V A  D A  V P  D P（1）

スケール②から変位を読み取り，試験片のたわみを調べた．
実験温度範囲は283～338Kであり，SMPのガラス転移温度
Tg付近では5K刻み，それ以外では10K刻みで実験した．

V A  V P  1 .0

図-3 に示すように，試験片幅 b は 20mm，長さ  は 70mmである．板厚 h は，SMP 単体 1.15mm を 2 枚接着後間然

SMPおよびSMAファイバのたわみ係数はともに，温度が大きく影響するので，高温側および低温側でそれぞれ”に一体化したと考え，h =2.3mm とした．

たわみ係数×体積率”を求め，Dc を計算した．計算結果

ここでも機械的性質を表す指標(5)として，たわみ係数を表-2に示す．本研究で使用したSMAファイバとSMPのD を導入した．D は式(2)で定義した．式(2)から分かるよAf (328K)とTg(313K～333K) はほぼ同じ温度である．

うに，D は線形弾性体での縦弾性係数 E に相当する．

SMAファイバの体積割合がSMCのDC にどのような影響があるか調べるために試験片は表-2 に示す構成とした．

W  348    I(2)1
 b  h312(3)D(3)表面温度測定

I

SMC は，挟み込んだ SMA ファイバを定電流電源装置(山菱電気製)で通電加熱することによって，母材であるSMP を加熱する．定電流値で SMA ファイバを通電加熱

ここで，した場合の通電時間と SMC 表面温度の関係を調べた．

D：たわみ係数[GPa]，

W：荷重[N]，

また，表面温度が一定値に安定して 60 秒後に通電を停止

 ：長さ[mm]，δ：たわみ[mm]，し，下降する表面温度も測定した．表面温度は，試験片

I：断面二次モーメント[mm4]，表面中央と裏面中央の 2 箇所に取り付けた K 型熱電対にb：幅[mm]，より 30 秒ごとに測定した．また,雰囲気温度も測定した．

h：板厚[mm]である．

(4)3点曲げ試験
図-4は本研究で使用した支点間距離70mmの3点曲げ試①験装置である．室温(20℃)を一定にし，図-4に示すようにSMC試験片④を設置した．実験温度までSMAでSMCを加④②

熱または冷却した後，試験片温度が一定温度に安定するまで約10分間保持し，その後長さ方向中央部におもり③で負③荷をかけた．デジタルカメラで撮影し，装置に取り付けた
Table 1

Deflection Factor DA and DPof SMA & SMP [ GPa ]Under Tg of SMP

Over Af of SMA

SMA

1050

① Constant temperature oven，② Scale, ③Weight， ④Specimen

SMP

1.15

0.03

Fig.4

Table-2

DC calculated by low of mixture [GPa]φ0.4[mm]

Diameter
Number of fiber

Three point bending device3

φ0.5[mm]

5735VA

0.0082

0.014

0.019

0.013

0.021

VP

0.99

0.99

0.98

0.99

0.99

DC (T < Af)

1.22

1.27

1.32

1.26

1.34

DC (T > Af)

0.44

0.71

0.99

0.67

1.10

T : Temperature of SMC―19―大分工業高等専門学校紀要

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Temperature[K]４．実験結果と考察(1)通電加熱と表面温度
図-5は0.5A，0.8Aおよび1.0AでSMC試験片(SMAファイ
バφ0.4mm3本)を通電加熱した場合の，通電時間と表面温度の実験結果である．図から分かるように，通電電流

360

1.0A
0.8A
0.5A

340
320300

値が大きくなると，表面温度が高くなり，表面温度が安280

定するまでの時間は長くなる．表面温度が60秒間変化し0なかった場合，表面温度が安定した判断し，実験を行っ

500

1000
1500
Passed time[sec]た．表面温度は，通電開始後急激に上昇しその後ゆるやかに安定する．表面温度が安定した後，通電を停止する

Fig.5

Relationship between time and surface temperatureと，今度は急激に表面温度が下降し，その後徐々に加熱(φ0.4mm-3lines)

前の温度に戻る．図-5の網掛けはSMPのガラス転移領域Tgを示している．φ0.4mm 3本の場合，0.8Aで通電加熱すTemperature[K]

ると表面温度はガラス転移温度に達することが分かる．
通電加熱によって表面温度が安定するまでの時間と傾向は，通電停止後の下降時間と傾向とはほぼ同じであることが分かる．表-3に試験片ごとの表面温度と表面温度が安定するまでの時間を示す．また，図-6 は各試験片の通電電流値と表面温度の関係である．図から分かるように，

373
353333
φ0.4-7本
φ0.4-5本
φ0.4-3本
φ0.5-5本
φ0.5-3本

313293

同じ試験片の場合，通電電流値が大きくなると表面温度273が高くなる．SMAファイバの径が同じ試験片の場合，0.5

SMAファイバの体積率が大きいほど表面温度が高くな

1る．また，表-3と図-6 から体積率が近いφ0.4mm5本とφ0.5mm3本の試験片を比較すると，φ0.4mm5本の場合

Fig.6

0.5A，835秒で表面温度が316Kであるが，φ0.5mm3本で1.5Apply current[A]Relationship between surface temperature
and apply current

は１A，920秒で319Kであった．このように，体積率が近い値の場合，SMAファイバの本数が多いほど小さい加熱
Force[N]

電流でしかも短い時間で表面温度は安定することが分かる．これは，SMAファイバが多いほど，SMCの母材であるSMPが一様に加熱され，SMC試験片全体が一様に暖め

540.5A
0.8A
1.0A

3られるためだと考えられる．SMCをアクチュエータとして使用する場合，挟み込んだSMAファイバの本数が多い2ほど有効であることが分かる．

10(2)3点曲げ試験

0510a) 荷重―変位特性

1520Displacement[mm]

SMC の 3 点曲げ試験による荷重―変位特性を図-7 に示す．
Fig,7

図-7 はφ0.4mm-3 本を挟み込んだ SMC 試験片の実験結Relationship between displacement and force( φ0.4mm-7lines )果である．本実験は室温(293k)中，試験片温度が安定しTable 3Surface temperature and passed time

φ0.4mm(temperature[K]/passed time[s])Number of fibers

3570.5A

311/835

316/835

318/870

0.8A324/865

339/835

1.0A

340/975355/1410

φ0.5mm(temperature[K]/passed time[s])350.5A

304/600

305/640

346/985

1.0A

319/920329/720371/1180

1.5A

345/1080

368/1240―20―大分工業高等専門学校紀要

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た時点で開始した．0.5A で通電加熱した場合，表面温度

313K 付近では，SMA ファイバの本数に関係なく DC ほぼは Tg 以下となることが図-5 で確認されている．0.5A 通同じ値を示している．表面温度が高くなると，SMA ファ

電加熱つまり表面温度が Tg 以下の場合，荷重 0.8N からイバの本数が，DC に大きく影響していることがわかる．

0.8N ずつ増加しながら 4.8N まで負荷した．その後，0.8N表面温度が低い場合，SMP のたわみ係数が大きく，SMAずつ徐荷した．図-5 から分かるように，SMC はほぼ元のファイバは Af 以下のためたわみ係数が小さい．そのため形状を回復した．0.8A で通電加熱の場合，表面温度はに SMA ファイバの影響が小さいと考えられる．また，Tg である．荷重を負荷し，その後徐荷させると変位が残表面温度が高くなると，SMA ファイバが Af 以上に加熱った．しかし，除荷後 60 秒を過ぎると SMC は元の形状されオーステナイト変態を起こすために，SMA ファイバを回復した．これは SMA ファイバがマルテンサイト相のたわみ係数が大きくなり，SMC のたわみ係数 DC に影から母相へ逆変態したために変位が消失したものと考え響するものと考えられる．

る．1.0A 通電加熱の場合，表面温度は Tg を超える．Tg

図-8 に，複合則から算出した DC を示している．表面を超えると変位は大きくなるが，この場合も形状はほぼ温度が低い場合，実験値とほぼ同じ値を示している．し回復した．他の試験片についても同様の結果が得られた．

かし，表面温度が高くなればなるほど，実験から得た値

本実験により，表面温度が Tg の前後で変位が大きく異なと計算値では大きな違いが出ていることがはっきりと分ることが分かった．

かる．これは，本試験片のように，ガラス転移温度を境3 点曲げ試験の結果から得られた SMC の荷重－変位特に，たわみ係数が大きく変化するような材料，しかもそ性は，SMA 及び SMP 単体の応力―ひずみ曲線(6)と非常の変化が，逆の性質を持つ 2 つの材料のたわみ係数には，に類似していることが分かった．試験片表面温度が Tg式(1)で示す複合則が適応しないのではないかと考える．

以下の場合 SMP 単体の応力―ひずみ曲線と類似の傾向を示し，Tg 近傍では SMA 単位の応力－ひずみ曲線と類似の傾向を示している．そして，Tg 以上では SMP 単体

５．結言の応力－ひずみ曲線と類似の傾向を示している．これは，SMC の表面温度を SMA ファイバの通電加熱により制御

本研究では，熱によって作動するアクチュエータにすることができれば，SMC をアクチュエータとして使用

SMC を利用する場合の材料の温度特性を実験的に得るする可能性が十分にあるものと考える．

ことを試みた．実験では，形状記憶ポリマーSMP2 枚に形状記憶合金 SMA ファイバを複数本挟み込んだ形状記b)たわみ係数

憶複合材料 SMC を用いた．SMC の機械的性質を表すた

図-8 は荷重－変位特性の結果から得たφ0.4mm3 本，めに，縦弾性係数 E に相当する値として，たわみ係数 D5 本，7 本の SMA ファイバを挟み込んだ試験片のたわみを用いた．また，試験片表面温度が 60 秒間変化しなかっ係数 DP の温度特性を示す．
温度は SMC 表面温度である．

た表面温度を安定温度とした．

図-8 の温度特性は表面温度が Tg 以上の場合である．Tg

本研究によって得られた主な結果を次に示す．

領域(313K～333K)であるため，DC はどの試験片において(1) 通電加熱によって表面温度が安定するまでの時間とも急激に減少している．SMA ファイバ 3 本の場合，310K傾向は，通電停止後の下降時間と傾向とはほぼ同じから 324K まで表面温度が上昇すると DC，は約 2 分の 1，である．

さらに，340K まで上昇すると約 20 分の 1 になった．

(2) 体積率が近い値の場合，SMA ファイバの本数が多い

表面温度が同じ場合，SMA ファイバの本数が多いほどほど小さい加熱電流でしかも短い時間で表面温度はDC は大きくなっている．DC が同じ場合 SMA ファイバの本数が増えると，表面温度は高くなる．表面温度が低い

安定する．
(3) 表面温度が Tg の前後で変位が大きく異なる．

DC [GPa](4) SMC の荷重－変位特性は，SMA 及び SMP 単体の応1.5

力―ひずみ曲線と非常に類似している．
(5) Tg 領域(313K～333K)で，DC は急激に減少する．

7本5本
3本
計算7本
計算5本
計算3本

10.50273

Fig.8

293313(6) 表面温度が低い場合，SMA ファイバの本数に関係なく DC ほぼ同じ値を示す．表面温度が高くなると，SMA ファイバの本数が，DC に大きく影響することがわかった．

333353 373 393
Temperature [K]Temperature characteristics of DC (φ0.4mm)

参考文献
1) 戸伏壽昭，田中喜久昭，堀川宏，松本實：形状記憶材―21―

大分工業高等専門学校紀要

第 46 号(平成 21 年 11 月)

料とその応用，コロナ社，2004

状記憶材料，共立出版，1986
5) The Japan Society of Mechanical Engineering ed., JSME

2) 入江正浩監：形状記憶ポリマーの開発と応用，シーエスシー，1989

Data Handbook: Strength of Materials, pp137,1979

3) 戸伏壽昭，林俊一，伊貝亮，三輪典生：ポリウレタン

6) 飯沼七重，中里将樹：形状記憶ポリマーと形状記憶合系形状記憶ポリマーフィルムの形状固定性および形状回復性，日本機械学会論文集A, 62, 597, pp1291-1298,

金による複合材料に関する研究，大分高専制御情報工学科卒業研究論文，2008(2009.9.1受付)

19964) 清水謙一，入江正浩，唯木次男：記憶と材料 入門形―22―