JP4844998B2 - Composite material of Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloy and plastic - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、延性に優れるとともに強磁性と形状記憶特性を備えたＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金とプラスチックとの複合材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
機械構造物を構成する部品のうち、変形、移動、あるいは応力を発生する機能性部品はアクチュエータと呼ばれる。アクチュエータに用いられる材料は、圧電材料、磁歪材料、電気粘性流体、形状記憶合金等がある。いずれの材料でも、アクチュエータの機能は結晶構造の相変態現象を伴って発現し、物理化学的特性値や力学的エネルギーの変換作用が関わっている。
【０００３】
アクチュエータ用材科のうち、熱弾性型マルテンサイト変態を生じる形状記憶合金は、冷却によるマルテンサイト変態と、加熱によるその逆変態機構を利用したものである。すなわち、高温相のオーステナイト状態で形状を拘束して熱処理することで形状を記憶させ、低温相のマルテンサイト状態で変形した後、加熱するとオーステナイトに戻る逆変態を生じて元の形状に戻る性質を利用したものである。
【０００４】
この形状記憶合金は、温度変化により形状記憶効果を発現させるために、加熱と冷却を必要とする。ところが、冷却する場合、冷却過程は熱放散等によって律速されるので、形状記憶効果の発現を利用した応答速度は遅くなる。従って、形状記憶効果を繰り返し発現させるアクチュエータには利用し難いという問題があった。
【０００５】
近年、新しいアクチュエータ用材料として、強磁性形状記憶合金が注目されている。強磁性形状記憶合金は、温度変化ではなく、外的に磁気エネルギーを付加して、磁気誘起マルテンサイト変態を生じさせ、形状記憶効果の応答性を高めようとするものである。あるいは、マルテンサイト相状態で磁場を加えると、双晶の移動で歪みを生じるので、この歪みをアクチュエータとして応用しようとするものである。
【０００６】
特開平１１−２６９６１１号公報には、鉄基磁性形状記憶合金、及びその製造方法が開示されている。この技術は、Ｐｄ含有量が２７〜３２ａｔ％のＦe−Ｐｄ系合金、あるいはＰｔ含有量が２３〜３０ａｔ％のＦｅ−Ｐｔ系合金を基本とする鉄基磁性形状記憶合金に、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ることにより、形状記憶現象を発現させようとするものである。
【０００７】
特開平５−３１１２８７号公報には、強磁性Ｃｕ系形状記憶材料とその製造方法が開示されている。この技術は、Ｃｕ−Ａｌ−Ｍｎ系合金粉末体を加圧して固化成形した後、焼結および加工して形状記憶現象を電気的スイッチング装置や温度感知センサーに利用しようとするものである。
【０００８】
米国特許５、９５８、１５４号公報には、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系合金のアクチュエータ用材料に磁場を付与して形状記憶現象を発現させる技術が開示されている。
【０００９】
特開２００２−１２９２７３号公報には、強磁性形状記憶合金およびそれを用いたアクチュエータが開示されている。この技術は、Ｃｏを５〜７０ａｔ％、Ｎｉを５〜７０ａｔ％、Ａｌを５〜５０ａｔ％含有し、残部が不可避的不純物からなる組成と、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相組織により、延性および強磁性を持たせた強磁性形状紀憶合金に関するものである。
【００１０】
特開平９−２０８７３９号公報には、直線形状となるように超弾性処理を施されている形状記憶合金細線の複数個を母材中に分散させたシート状複合材料であり、母材として合成樹脂を用いて成型したシート状複合材料に関する技術が記載されている。
【００１１】
特開２００１−２８１２２５号公報には、非磁性材料からなる母材に磁性形状記憶合金の繊維または薄膜を埋め込んだ複合材料からなる構造部材であって、外部から加えられた負荷によって生じた構造部材の損傷を磁気的に検出可能で、かつ形状記憶効果により該損傷を修復可能とした構造部材に関する技術が記載されている。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１１−２６９６１１号公報
【特許文献２】
特開平５−３１１２８７号公報
【特許文献３】
米国特許５，９８５、１６４号公報
【特許文献４】
特開２００３−１２９２７３号公報
【特許文献５】
特開平０９−２０８７３９号公報
【特許文献６】
特開２００１−２８１２２５号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記方法では、形状記憶合金が金属間化合物であることから、脆性面の改善ができない。従って、機械加工により成形するとしても、成型工程が煩雑であり、コスト高となる。また、複雑形状の成形品を製造することが難しく、成形の自由度に欠けるという欠点がある。
【００１４】
一方、プラスチックは成形性に優れており、複雑形状品にも精度良く安価に製造できるという特徴がある。本発明はかかる状況に鑑みてなされたものであり、延性に優れ、形状記憶特性と強磁性を有するＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金の粉末とプラスチックとの複合材料を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明の第１の態様は、プラスチックで形成されたマトリックスに、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系熱弾性型マルテンサイト変態特性を備えた強磁性形状記憶合金の粉末を分散させた複合材料であって、前記マトリックス中のＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金の粉末の含有量が５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下の範囲であり、さらに２０ＭＰａの応力負荷時の２８０Ｋと３００Ｋでの変態温度によるひずみの差異が０．５％以上で、且つ強さ３０Ａ／ｍの磁界Ｈを試料方向に印加した場合の歪み量が０．０５％以上０．２％以下であることを特徴とするＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金の粉末とプラスチックとの複合材料である。
【００１６】
本発明の第２の態様は、プラスチックで形成されたマトリックスに、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系熱弾性型マルテンサイト変態特性を備えた強磁性形状記憶合金の粉末を分散させた複合材料であって、前記マトリックス中のＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金の粉末の含有量が１０ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％以下の範囲であり、さらに２０ＭＰａの応力負荷時の２８０Ｋと３００Ｋでの変態温度によるひずみの差異が１．０％以上で、且つ強さ３０Ａ／ｍの磁界Ｈを試料方向に印加した場合の歪み量が０．０５％以上０．２％以下であることを特徴とするＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金の粉末とプラスチックとの複合材料である。
【００１８】
本発明の第３の態様は、前記Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金の粉末の大きさが１ｎｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金の粉末とプラスチックとの複合材料である。
【００１９】
本発明の第４の態様は、複合材料のマトリックスとなる前記プラスチックに、熱可塑性樹脂として、硬質塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリレート、ポリステレン、ＡＢＳ樹脂、ポリアセタール、ナイロン６、ナイロン６６、ポリ４フッ化エチレン、ポリカーボネート、ポリフッ化ビニリデン、ポリエーテルイミド、強化ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、各種液晶プラスチックを用いるか、あるいはこれらの熱可塑樹脂を２種以上組み合わせたものを用いることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金の粉末とプラスチックとの複合材料である。
【００２０】
本発明の第５の態様は、複合材料のマトリックスとなる前記プラスチックに、熱硬化性樹脂として、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、珪素樹脂等を用いるか、あるいはこれらの熱硬化樹脂を２種以上組み合わせものを用いることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金の粉末とプラスチックとの複合材料である。
【００２１】
本発明の第６の態様は、請求項１から請求項５のいずれかに記載のＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金の粉末とプラスチックとの複合材料の前記強磁性形状記憶合金の粉末の結晶方位を磁化容易軸＜１１０＞方向に配向させることにより、外部磁場を加えた時の駆動速度を速く、作動ひずみを大きくしたものであることを特徴とするＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金の粉末とプラスチックとの複合材料である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。本発明に用いる形状記憶合金には、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金を用いることができる。
【００２６】
強磁性形状記憶合金として、Ｆｅ−Ｐｄ系合金、Ｆｅ−Ｐｔ系合金、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系合金、Ｃｏ−Ｎｉ−Ｇａ系合金、Ｎｉ−Ｃｏ−Ａｌ系合金等があるが、本発明では、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系合金を用いる。
【００２７】
本発明の複合材は、プラスチックに上記のＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金の粉末を分散させているため、例えば射出成形等による方法により、容易かつ安価に製造することができる。また、機械加工では製造できないような複雑な形状の成形も容易に行うことができるものである。
【００３７】
（第１の実施形態）
また、本発明者等は、前記Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金粉末を用いた磁気素子の成形法を種々検討した。磁気素子にはアクチュエーターがあり、特性として速い駆動速度が要望されている。検討の結果、前述のＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金粉末とプラスチックとの複合材が、工業上有用であることを見出した。
【００３８】
本発明では、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金粉末の含有量を５ｖｏｌ％以上とすることにより、複合材に形状記憶特性を効果的に付与することができる。一方、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金粉末の含有量を８０ｖｏｌ％以下としたのは、８０ｖｏｌ％を超えるとプラスチックの含有量が減少して成形時に流動性が失われて成形ができなくなるからである。なお、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金粉末の含有量は１０ｖｏｌ％以上６０ｖｏｌ％以下であることがより好ましい。ここでいうｖｏｌ％とは体積分率を示し、樹脂および粉末の体積に対する形状記憶合金粉末の体積百分率を示したものである。
【００３９】
本発明では、プラスチックと強磁性形状記憶合金粉末との複合材に用いる強磁性形状記憶合金には、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系合金を用いる。Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系合金粉末の結晶方位を一方向に配向させることにより、優れた形状記憶特性や磁気特性を得ることができる。
【００４０】
本発明に係るプラスチックとＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系、強磁性形状記憶合金粉末との複合材は、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂のいずれを用いても良い。前記の熱可塑性樹脂としては、例えば、硬質塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリアクリレート、ポリステレン、ＡＢＳ樹脂、ポリアセタール、ナイロン６、ナイロン６６、ポリ４フッ化エチレン、ポリカーボネート、ポリフッ化ビニリデン、ポリエーテルイミド、強化ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、各種液晶プラスチック等を用いることができ、これらの樹種を２種以上組み合わせて用いてもよい。一方、熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、尿素樹脂、メラミン樹脂、ウレタン樹脂、珪素樹脂等を用いることができる。これらの樹脂を２種以上組み合わせて用いてもよい。
【００４１】
本発明では、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金粉末の結晶方位が一方向に配向していることを特徴とする。ここで、結晶方位が一方向に配向しているとはＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金粉末が単結晶のようになっていることである。結晶方位が一方向に配向していることによって、磁場を加えたときの駆動速度が速くなり、作動歪みが大きくなる効果がある。
【００４２】
なお、結晶方位が一方向に配向していることはＸ線回折法によって計測できる。また、結晶方位が一方向に配向しているとは、具体的に磁化容易軸の方向を示すものである。磁化容易軸は、合金、温度および負荷応力によって異なるが、例えば、Ｎｉ2ＭｎＧａ合金では、無応力負荷時およびマルテンサイト相状態において＜１１０＞方向である。
【００４３】
本発明では、プラスチックで形成したマトリックスにＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金材料を分散させた複合材料を製造する際、プラスチックが凝固する前に前記強磁性形状記憶合金材料分散させ、一定方向に磁場を与えてＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金材料の結晶方位を一方向に配向させ、ついで磁場中で凝固させることを特徴とする。また、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金材料を分散させた複合材料を製造する際、前記強磁性形状記憶合金材料の粉末を５ｖｏｌ％以上８０ｖｏｌ％以下含有させることを特徴とする。
【００４４】
すなわち、本発明のＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金材料は、以下の方法を用いて製造できる。まず、所望の成分組成の合金が得られるように調整した鋳塊を作成する。例えば、高周波真空溶解炉を用いて溶製すれば良い。鋳塊は、必要に応じて均質化熱処理を施す。均質化熱処理を施すことによって鋼塊を均一組織にする効果がある。
【００４５】
次に、鋳塊は粉砕器を用いて粉末化する。鋳塊は脆いために、例えば超硬合金製乳鉢のような粉砕器を用いて容易に粉砕できる。粉末のサイズは樹脂と混練するために１ｍｍ以下である方が好ましく、１ｎｍから１ｍｍとすることが望ましい。サイズが１ｍｍを超えると均一に分散させることが困難となり、１ｎｍを下回ると動作ひずみ、駆動速度が小さくなるので好ましくない。
【００４６】
次に、粉末は、粉砕時に導入される歪みを取るために焼鈍することが望ましい。
【００４７】
本発明の複合材料のマトリックスとなるプラスチックには、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。プラスチックやその他の添加剤等と、上記方法で作成した合金粉末とを、所定のｖｏｌ％となるように混合する。次に、通常の成型方法を用いて成型品を作成する。
【００４８】
本発明では、成型時、例えば熱間プレスを用いて成型する前や成形中に磁界を加えて、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金粉末の結晶方位を磁場方向に一定方向とする。
【００５５】
（実施例１）
成分組成が、Ｎｉが５４．０ａｔ％、Ｍｎが２１．０ａｔ％、Ｇａが２５．０ａｔ％、およびＮｉが５１．０ａｔ％、Ｍｎが２６．０ａｔ％、Ｇａが２３．０ａｔ％の鋳塊を非消耗電極アーク溶解炉により作成し、真空中で温度１２７３Ｋとして１時間の均質化熱処理を施した。鋳塊は粉砕器を用いて粉末化した。粉末のサイズは０．２５ｍｍ未満とした。粉末は、歪みをとるため温度１０７３Ｋで１５分間の焼鈍を施した。
【００５６】
複合材料のマトリックスとなるプラスチックにはエポキシ樹脂を用いた。エポキシ樹脂は、主剤としてビスフェノールＡ型エポキシ樹脂のエピコート８２８を用い、硬化剤として変性ポリアミド系硬化剤トーマイド２８０−Ｂを用いた。主剤に硬化剤を配合し、攪拌および脱泡を行ってマトリックスを作製した。
【００５７】
これに、上記方法で作製したＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系合金粉末を、図１としての表１に示すｖｏｌ％になるように混合した。これを、アルミニウム製の型に流し込み。熱間プレス法によりエポキシ樹脂を硬化させた。ただし、追番ｂ−１５、ｂ−１６は、表１に示すように熱間プレス前に磁界を加えて強磁性形状記憶合金粉末の結晶方位を＜１１０＞配向にそろえてから、熱間プレス法によりエポキシ樹脂を硬化させた。
【００５８】
追番ｂ−１〜ｂ−１６について加工性を調査し、その結果を表１に合せて示した。加工性は板厚２ｍｍの試料を冷間圧延して評価した。このとき、割れが発生するまでの圧延率を求めた。加工性については、○印は８０％以上の圧延率が得られたものであり、×印は８０％未満の圧延率が得られたものである。追番ｂ−１〜ｂ−６、ｂ−８〜ｂ−１３、ｂ−１５、ｂ−１６は８０％以上の圧延率で圧延が可能であったが。追番ｂ−７、ｂ−１４は強磁性形状記憶合金粉末のｖｏｌ％が高いために、８０％未満の圧延率で割れが発生した。
【００５９】
次に、加工性の良い追番ｂ−１〜ｂ−６、ｂ−８〜ｂ−１３、ｂ−１５、ｂ−１６について形状記憶特性および磁歪特性を調査した。その結果を表１に示した。試料サイズは、２２ｍｍ×５ｍｍ×０．９ｍｍである。形状記憶特性は、２０ＭＰａ負荷時のひずみの温度依存性、すなわち、ひずみ−温度曲線を測定した。
【００６０】
この時の変態によるひずみを次式で表される値とした。
変態によるひずみ（％）＝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２では、◎印は、２．０％以上、○は１．０〜２．０％以上、△は０．５〜１．０％以上、×は０．５％未満を示した。
【００６１】
磁歪特性は、強さ３０Ａ／ｍの磁界Ｈを試料方向に印加して、歪み量を測定し表１に合わせて示した。表１で、◎印は０．２％以上、○は０．１〜０．２％、△は０．０５〜０．１％、×は０．０５％未満をしめす。表１から明らかなように、本発明例である追番ｂ−２〜ｂ−６、ｂ−９〜ｂ−１３、ｂ−１５、ｂ−１６と、比較例である追番ｂ−１、ｂ−８を比べると、本発明例の方が形状記憶特性および磁歪特性に優れていることがわかる。
【００６２】
また本発明例のうち、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金粉末の結晶方位を＜１１０＞に配向させた方が、形状記憶特性および磁歪特性に優れていることがわかる。
【００６３】
なお、以上の実施例では、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金としてＮｉが５４．０ａｔ％、Ｍｎが２１．０ａｔ％、Ｇａが２５．０ａｔ％、およびＮｉが５１．０ａｔ％、Ｍｎが２６．０ａｔ％、Ｇａが２３．０ａｔ％のＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系合金について述べたが、本発明はこれら組成に限定されるものでなく、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金であれば、本発明の範囲に含まれる。
【００６４】
【発明の効果】
本発明では、形状記憶特性を有し、延性に優れるプラスチックとＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金との複合材料を得ることができる。さらに、
その磁性形状記憶特性を利用して、高速応答するアクチュエ−ターや磁気歪みセ
ンサー等を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 表１のＮｉ−Ｍｎ−Ｇａ系強磁性形状記憶合金を用いた複合樹脂の試験結果。 [0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to composite materials with Ni-Mn-Ga-based ferromagnetic shape memory alloys and plastic having a ferromagnetic shape memory characteristics excellent in ductility.
[0002]
[Prior art]
Among the parts constituting the mechanical structure, functional parts that generate deformation, movement, or stress are called actuators. Examples of the material used for the actuator include a piezoelectric material, a magnetostrictive material, an electrorheological fluid, and a shape memory alloy. In any material, the function of the actuator is manifested with a phase transformation phenomenon of the crystal structure, and the physicochemical characteristic value and the conversion action of mechanical energy are involved.
[0003]
Among the materials for actuators, shape memory alloys that cause thermoelastic martensitic transformation utilize martensitic transformation by cooling and its reverse transformation mechanism by heating. That is, the shape is memorized by restraining the shape in the austenite state of the high-temperature phase and heat-treating, deforming in the martensite state of the low-temperature phase, and then returning to the original shape by causing a reverse transformation that returns to austenite when heated. It is used.
[0004]
This shape memory alloy requires heating and cooling in order to develop a shape memory effect due to temperature changes. However, when cooling, since the cooling process is rate-controlled by heat dissipation or the like, the response speed using the expression of the shape memory effect becomes slow. Therefore, there is a problem that it is difficult to use for an actuator that repeatedly exhibits the shape memory effect.
[0005]
In recent years, ferromagnetic shape memory alloys have attracted attention as new actuator materials. Ferromagnetic shape memory alloys are intended to increase the responsiveness of the shape memory effect by causing magnetically induced martensitic transformation by applying magnetic energy externally instead of temperature change. Alternatively, when a magnetic field is applied in the martensitic phase state, distortion occurs due to the movement of twins, so this distortion is to be applied as an actuator.
[0006]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-269611 discloses an iron-based magnetic shape memory alloy and a method for producing the same. This technology provides magnetic energy to Fe-Pd alloys with a Pd content of 27-32 at% or Fe-Pt alloys with a Pt content of 23-30 at% as a basis. and by expressing the magnetic-induced martensitic transformation and, it is an attempt to express the shape memory phenomenon.
[0007]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-311287 discloses a ferromagnetic Cu-based shape memory material and a method for manufacturing the same. In this technique, a Cu-Al-Mn alloy powder is pressed and solidified and then sintered and processed to use the shape memory phenomenon in an electrical switching device or a temperature sensor.
[0008]
US Pat. No. 5,958,154 discloses a technique for applying a magnetic field to a Ni—Mn—Ga based alloy actuator material to develop a shape memory phenomenon.
[0009]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-129273 discloses a ferromagnetic shape memory alloy and an actuator using the same. This technique includes a composition containing Co of 5 to 70 at%, Ni of 5 to 70 at%, and Al of 5 to 50 at%, the balance being inevitable impurities, and a single-phase structure consisting of a β phase of B2 structure, or fcc The present invention relates to a ferromagnetic shape memory alloy having ductility and ferromagnetism by a two-phase structure composed of a γ phase of a structure and a β phase of a B2 structure.
[0010]
Japanese Patent Laid-Open No. 9-208739 discloses a sheet-like composite material in which a plurality of shape memory alloy fine wires that have been subjected to superelastic processing so as to have a linear shape are dispersed in a base material, and are synthesized as a base material. A technique related to a sheet-like composite material molded using a resin is described.
[0011]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-281225 discloses a structural member made of a composite material in which a fiber or a thin film of a magnetic shape memory alloy is embedded in a base material made of a nonmagnetic material, and is generated by a load applied from the outside. A technique relating to a structural member that can magnetically detect the damage and repair the damage by a shape memory effect is described.
[0012]
[Patent Document 1]
JP-A-11-269611 [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 5-311287 [Patent Document 3]
US Pat. No. 5,985,164 [Patent Document 4]
JP 2003-129273 A [Patent Document 5]
Japanese Patent Laid-Open No. 09-208739 [Patent Document 6]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-281225
[Problems to be solved by the invention]
In the above method, since the shape memory alloy is an intermetallic compound, the brittle surface cannot be improved. Therefore, even if molding is performed by machining, the molding process is complicated and the cost is increased. Moreover, it is difficult to produce a molded product having a complicated shape, and there is a drawback that the degree of freedom in molding is lacking.
[0014]
On the other hand, plastics are excellent in moldability and are characterized in that they can be manufactured accurately and inexpensively even for complex shaped products. The present invention has been made in view of such circumstances, excellent ductility, providing composite materials of the powder and the plastic Ni-Mn-Ga-based ferromagnetic shape memory alloy having shape memory properties and ferromagnetic It is intended.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, a first aspect of the present invention is to disperse a powder of a ferromagnetic shape memory alloy having Ni—Mn—Ga thermoelastic martensitic transformation characteristics in a matrix made of plastic. The content of the Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloy powder in the matrix is in the range of 5 vol% or more and 80 vol% or less , and further at 280K and 300K under a stress load of 20 MPa. The difference in strain due to the transformation temperature is 0.5% or more, and the strain amount when a magnetic field H having a strength of 30 A / m is applied in the sample direction is 0.05% or more and 0.2% or less. And a composite material of a Ni—Mn—Ga based ferromagnetic shape memory alloy powder and a plastic.
[0016]
A second aspect of the present invention is a composite material in which a powder of a ferromagnetic shape memory alloy having a Ni-Mn-Ga thermoelastic martensitic transformation characteristic is dispersed in a plastic matrix. The Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloy powder content in the matrix is in the range of 10 vol% or more and 60 vol% or less, and further, the difference in strain due to the transformation temperature at 280K and 300K under a stress load of 20 MPa. Is Ni-Mn-Ga, characterized in that the amount of strain is 0.05% or more and 0.2% or less when a magnetic field H having a strength of 30 A / m is applied in the sample direction. This is a composite material of a ferromagnetic ferromagnetic shape memory alloy powder and plastic.
[0018]
According to a third aspect of the present invention, the Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloy powder has a powder size of 1 nm or more and 1 mm or less, according to
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, the plastic used as the matrix of the composite material is made of a hard vinyl chloride, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyacrylate, polyester, ABS resin, polyacetal,
[0020]
According to a fifth aspect of the present invention , a phenol resin, an epoxy resin, an unsaturated polyester resin, a urea resin, a melamine resin, a urethane resin, a silicon resin, or the like is used as the thermosetting resin for the plastic used as the matrix of the composite material. A combination of two or more of these thermosetting resins is used, and the powder of Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloy according to any one of
[0021]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the powder of the ferromagnetic shape memory alloy of the composite material of the Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloy powder according to any one of
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below. A shape memory alloy for use in the present invention may be used Ni-Mn-Ga-based ferromagnetic shape memory alloy.
[0026]
As Ferromagnetic shape memory alloy, Fe-Pd alloy, Fe-Pt alloy, Ni-Mn-Ga alloys, Co-Ni-Ga-based alloy, there are Ni-Co-Al alloy or the like, in the present invention Ni-Mn-Ga alloy is used.
[0027]
The composite material of the present invention can be easily and inexpensively manufactured by a method such as injection molding because the powder of the Ni—Mn—Ga ferromagnetic shape memory alloy is dispersed in plastic. Further, it is possible to easily form a complicated shape that cannot be manufactured by machining.
[0037]
( First embodiment)
In addition, the present inventors have studied various methods for forming a magnetic element using the Ni—Mn—Ga based ferromagnetic shape memory alloy powder. There is an actuator in the magnetic element, and a high driving speed is required as a characteristic. As a result of the study, it has been found that the composite material of the aforementioned Ni—Mn—Ga ferromagnetic shape memory alloy powder and plastic is industrially useful.
[0038]
In the present invention, when the content of the Ni—Mn—Ga based ferromagnetic shape memory alloy powder is 5 vol% or more, shape memory characteristics can be effectively imparted to the composite material. On the other hand, the content of the Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloy powder is set to 80 vol% or less. If the content exceeds 80 vol%, the plastic content decreases and fluidity is lost at the time of molding. Because it disappears. The content of the Ni—Mn—Ga based ferromagnetic shape memory alloy powder is more preferably 10 vol% or more and 60 vol% or less. Here, vol% represents the volume fraction, and represents the volume percentage of the shape memory alloy powder with respect to the volume of the resin and powder.
[0039]
In the present invention, the ferromagnetic shape memory alloy used for the composite material of the plastic and the ferromagnetic shape memory alloy powder, Ru using Ni-Mn-Ga alloys. By aligning the crystal orientation of the N i-Mn-Ga alloy powder in one direction, it is possible to obtain excellent shape memory properties and magnetic properties.
[0040]
As the composite material of the plastic according to the present invention and the Ni—Mn—Ga based , ferromagnetic shape memory alloy powder, either a thermosetting resin or a thermoplastic resin may be used. Examples of the thermoplastic resin include hard vinyl chloride, polyethylene, polypropylene, polyethylene terephthalate, polyacrylate, polyester, ABS resin, polyacetal,
[0041]
In the present invention, the crystal orientation of the Ni—Mn—Ga based ferromagnetic shape memory alloy powder is oriented in one direction. Here, that the crystal orientation is oriented in one direction means that the Ni—Mn—Ga based ferromagnetic shape memory alloy powder is like a single crystal. Since the crystal orientation is oriented in one direction, the driving speed when a magnetic field is applied is increased, and the operating strain is increased.
[0042]
In addition, it can be measured by the X-ray diffraction method that the crystal orientation is oriented in one direction. Further, the crystal orientation being oriented in one direction specifically indicates the direction of the easy axis of magnetization. Although the easy axis of magnetization varies depending on the alloy, temperature, and applied stress, for example, in a Ni 2 MnGa alloy, it is in the <110> direction at no stress and in a martensite phase state.
[0043]
In the present invention, when manufacturing a composite material in which a Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloy material is dispersed in a plastic matrix, the ferromagnetic shape memory alloy material is dispersed before the plastic is solidified. A magnetic field is applied in the direction to orient the crystal orientation of the Ni—Mn—Ga based ferromagnetic shape memory alloy material in one direction and then solidify in the magnetic field. Moreover, when manufacturing the composite material which disperse | distributed Ni-Mn-Ga type ferromagnetic shape memory alloy material, the powder of the said ferromagnetic shape memory alloy material is contained 5 vol% or more and 80 vol% or less, It is characterized by the above-mentioned.
[0044]
That is, the Ni—Mn—Ga based ferromagnetic shape memory alloy material of the present invention can be manufactured using the following method. First, the ingot adjusted so that the alloy of a desired component composition is obtained is created. For example, melting may be performed using a high-frequency vacuum melting furnace. The ingot is subjected to a homogenization heat treatment as necessary. By performing the homogenizing heat treatment, there is an effect of making the steel ingot a uniform structure.
[0045]
Next, the ingot is pulverized using a pulverizer. Since the ingot is brittle, it can be easily pulverized using a pulverizer such as a cemented carbide mortar. The size of the powder is preferably 1 mm or less in order to knead with the resin, and is preferably 1 nm to 1 mm. If the size exceeds 1 mm, it is difficult to disperse uniformly, and if it is less than 1 nm, the operating strain and the driving speed are reduced, which is not preferable.
[0046]
Next, it is desirable to anneal the powder in order to remove the strain introduced during grinding.
[0047]
The plastic used as the matrix of the composite material of the present invention can be appropriately selected from thermoplastic resins and thermosetting resins. Plastic, other additives and the like and the alloy powder prepared by the above method are mixed so as to have a predetermined vol%. Next, a molded product is created using a normal molding method.
[0048]
In the present invention, during molding, for example, by adding a magnetic field before and during molding to mold by using a hot press, a constant direction the crystal orientation of the Ni-Mn-Ga-based ferromagnetic shape memory alloy powder to the magnetic field direction.
[0055]
(Example 1 )
An ingot having an ingredient composition of 54.0 at% Ni, 21.0 at% Mn, 25.0 at% Ga, 51.0 at% Ni, 26.0 at% Mn, and 23.0 at% Ga It was prepared by a non-consumable electrode arc melting furnace and subjected to a homogenization heat treatment at a temperature of 1273K in vacuum for 1 hour. The ingot was pulverized using a pulverizer. The size of the powder was less than 0.25 mm. The powder was annealed at a temperature of 1073K for 15 minutes in order to take strain.
[0056]
Epoxy resin was used as the plastic as the matrix for the composite material. As the epoxy resin, bisphenol A type epoxy resin Epicoat 828 was used as a main agent, and a modified polyamide-based curing agent tomide 280-B was used as a curing agent. A curing agent was blended into the main agent, and a matrix was prepared by stirring and defoaming.
[0057]
To this, Ni—Mn—Ga based alloy powder produced by the above method was mixed so as to have a vol% shown in Table 1 as FIG . Pour this into an aluminum mold. The epoxy resin was cured by a hot press method. However, the serial numbers b-15 and b-16 are as shown in Table 1 in which a magnetic field is applied before hot pressing to align the crystal orientation of the ferromagnetic shape memory alloy powder with the <110> orientation, and then hot pressing. The epoxy resin was cured by the method.
[0058]
Workability was investigated for serial numbers b-1 to b-16, and the results are shown in Table 1 . Workability was evaluated by cold rolling a sample having a thickness of 2 mm. At this time, the rolling rate until a crack generate | occur | produced was calculated | required. Regarding the workability, a circle mark indicates that a rolling rate of 80% or more is obtained, and a cross mark indicates that a rolling rate of less than 80% is obtained. Although serial numbers b-1 to b-6, b-8 to b-13, b-15, and b-16 could be rolled at a rolling rate of 80% or more. In the serial numbers b-7 and b-14, since the vol% of the ferromagnetic shape memory alloy powder was high, cracks occurred at a rolling rate of less than 80%.
[0059]
Next, shape memory characteristics and magnetostriction characteristics of the serial numbers b-1 to b-6, b-8 to b-13, b-15, and b-16 having good workability were investigated. The results are shown in Table 1 . The sample size is 22 mm × 5 mm × 0.9 mm. For the shape memory characteristics, the temperature dependence of strain at a load of 20 MPa, that is, a strain-temperature curve was measured.
[0060]
The strain caused by the transformation at this time was a value represented by the following equation.
Strain due to transformation (%) = 100 × {(Ld−Lr) / Ld
Here, length between gauges at Ld: 280K Lg: length between gauges at 320K In Table 2, ◎ is 2.0% or more, ○ is 1.0 to 2.0% or more, and Δ is 0.5 -1.0% or more, x showed less than 0.5%.
[0061]
The magnetostrictive characteristics are shown in Table 1 by measuring the amount of strain by applying a magnetic field H having a strength of 30 A / m in the sample direction. In Table 1 , ◎ indicates 0.2% or more, ○ indicates 0.1 to 0.2%, Δ indicates 0.05 to 0.1%, and X indicates less than 0.05%. As is apparent from Table 1, serial numbers b-2 to b-6, b-9 to b-13, b-15 and b-16, which are examples of the present invention, and serial numbers b-1, which are comparative examples, When b-8 is compared, it can be seen that the example of the present invention is superior in shape memory characteristics and magnetostriction characteristics.
[0062]
Moreover, it turns out that the direction which orientated the crystal orientation of Ni-Mn-Ga type ferromagnetic shape memory alloy powder to <110> among the example of this invention is excellent in the shape memory characteristic and the magnetostriction characteristic.
[0063]
In the above examples, the Ni—Mn—Ga based ferromagnetic shape memory alloy has Ni of 54.0 at%, Mn of 21.0 at%, Ga of 25.0 at%, and Ni of 51.0 at%, Mn Has described Ni-Mn-Ga alloys with 26.0 at% and Ga of 23.0 at%, but the present invention is not limited to these compositions, and is a Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloy. If it exists, it is included in the scope of the present invention.
[0064]
【The invention's effect】
In the present invention, a composite material of a plastic having shape memory characteristics and excellent ductility and a Ni—Mn—Ga based ferromagnetic shape memory alloy can be obtained. further,
By utilizing the magnetic shape memory characteristics, an actuator, a magnetostriction sensor, or the like that responds at high speed can be provided.
[Brief description of the drawings]
[1] Table 1 Ni-Mn-Ga-based ferromagnetic shape memory alloy composite resin test results using.
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