磁性形状記憶合金

磁性形状記憶合金 (MSMA) は、磁場に応じて形状が大きく可逆的に変化できるスマート材料の一種です。この動作は、合金内の磁性と形状記憶特性の組み合わせによって発生し、磁気作動下で機械的な動きや力を生み出すことができます。MSMA は一般に強磁性材料、特にニッケルマンガンガリウム (Ni-Mn-Ga) から作られており、迅速で制御可能かつ反復可能な動きを必要とする用途で役立ちます。

MSM 合金は、中程度の磁場下で運動と力を生成できる強磁性材料です。通常、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・ウラッコ博士と同僚​​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%の変形が実現しました。^{[3] [4]}

MSM技術は、磁気的に誘起される大きな歪みと短い応答時間により、空気圧、ロボット工学、医療機器、メカトロニクスで使用される革新的なアクチュエータの設計に非常に魅力的です。^{[5] MSM合金は、変形に応じて磁気特性が変化します。この付随効果は、作動と共存し、変位、速度、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形状を持つ合金の低温マルテンサイト相で発生します。温度がマルテンサイト-オーステナイト変態温度を超えて上昇すると、合金は基本セルが立方晶系形状を持つオーステナイト相になります。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転移により、力と変形が生じます。そのため、MSM 合金は、熱形状記憶合金(ニッケルチタン ( Ni-Ti ) 合金など) のように、熱によって活性化されることもあります。

MSM合金の大きな歪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、図に示されています。^[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し、磁場の方向に沿った基本磁化の配列から生じます。ただし、標準的な強磁性材料とは異なり、この配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、セル内の磁化ベクトルの回転（磁気歪みの場合など）によって得られるものではありません。

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、基準座標系内での適用に応じて伸長または収縮を実現します。伸長と収縮のプロセスは図に示されており、たとえば、伸長は磁気的に実現され、収縮は機械的に実現されます。

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の結果です。簡単に言えば、MSM 要素は内部領域で構成されており、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を適用すると、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すると、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で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合金の最大仕事量に関係しており、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]

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説明があります）。

• 最大6%の歪み
• 最大発生応力 3 MPa
• 最大ひずみのための最小磁場: 500 kA/m
• 最大2MPaの負荷までの全ひずみ（6％）
• 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0.5MPa
• 磁気と熱による活性化
• 動作温度範囲 -40～60℃
• 変形中の透磁率と電気抵抗率の変化

MSMA の疲労寿命は、高周波サイクルによるアクチュエーション用途では特に重要であり、そのためこれらの合金の微細構造を改善することが特に重要視されてきました。研究者らは、最大応力 2MPa で疲労寿命を 2x10 ^{9サイクルまで改善し、デバイスにおける MSMA の実際の適用をサポートする有望なデータを提供しました。 [10]}高い疲労寿命が実証されていますが、この特性は材料の内部双晶応力によって制御されることが判明しており、これは結晶構造と双晶境界に依存します。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する必要があります。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と、MSMA の疲労寿命と破壊抵抗が向上します。^[11]

標準合金はニッケル-マンガン-ガリウム(Ni-Mn-Ga) 合金で、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]研究中の他の合金には、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高性能なMSMAは単結晶であった。多孔性多結晶MSMAを製造する技術として、積層造形が実証されている。 ^[13]完全に高密度の多結晶MSMAとは対照的に、多孔性構造では運動の自由度が高く、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、焼結やアニーリングなどの後処理熱処理により、Ni-Mn-Ga合金の硬度が大幅に向上し、弾性係数が低減することがわかっている。

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場合に使用できます。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、磁場を使用した方が動作が高速で、疲労寿命も長いため注目されています。応用分野としては、ロボット工学、製造、医療手術、バルブ、ダンパー、選別などが考えられます。^[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）の用途で特に注目されています。 ^{[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でも注目されています。^[14]

MSMA の双晶応力、つまり内部摩擦応力によって作動効率が決まるため、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行われます。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によって、アプリケーションにおける MSMA の効率が決まります。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。