JP2003266589A - 熱誘起形状記憶材料 - Google Patents

熱誘起形状記憶材料

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JP2003266589A
JP2003266589A JP2002068632A JP2002068632A JP2003266589A JP 2003266589 A JP2003266589 A JP 2003266589A JP 2002068632 A JP2002068632 A JP 2002068632A JP 2002068632 A JP2002068632 A JP 2002068632A JP 2003266589 A JP2003266589 A JP 2003266589A
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JP
Japan
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memory material
heat
shape memory
metal layer
present
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JP2002068632A
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English (en)
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Yoshitake Nishi
義武 西
Kazunori Akiyama
和範 秋山
Hiromasa Yabe
洋正 矢部
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Tokai University
Original Assignee
Tokai University
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 軽量で応用範囲の広い熱誘起形状記憶材料を
提供する。 【解決手段】 熱膨張率が互いに異なる高分子材料層と
金属層とが積層されてなる熱誘起形状記憶材料。

Description

【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は温度変化に伴って変
形する熱誘起形状記憶材料に関する。 【0002】 【従来の技術】ジャンボジェットやスペースシャトルな
どの高度な技術を要する機器及びシステムには部品点数
の多量化、それに伴う複雑化、部品数の増大、コスト上
昇などの多くの問題がある。 【0003】ここで、一つの部品でありながら複数の機
能を有するインテリジェント材料で対応することが可能
であれば上記問題が解決ないし軽減される。 【0004】このようなものの1つとして知られている
熱誘起形状記憶材料は、温度変化に伴って形状が変化
し、宇宙空間で使用されるアンテナなどの自動骨材、人
工弁などの医療用材料に応用されている。しかしながら
従来の熱誘起形状記憶材料は金属性の多く、その重量故
に応用範囲が狭いものとなっていた。 【0005】 【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した従
来の問題点を改善する、軽量で応用範囲の広い熱誘起形
状記憶材料を提供することを目的とする。 【0006】 【課題を解決するための手段】本発明の熱誘起形状記憶
材料は上記課題を解決するため、請求項1に記載の通
り、熱膨張率が互いに異なる高分子材料層と金属層とが
積層されてなる熱誘起形状記憶材料である。 【0007】このような構成により、従来のバイメタル
に比して遙かに軽量なものとすることができ、材料の一
部が絶縁性を要する場合であっても、絶縁塗装・被膜な
どの特別な加工を必要とせずに達成可能であり、従来の
バイメタルよりも熱による変形が遙かに大きいものとす
ることも容易である。 【0008】 【発明の実施の形態】本発明において、高分子材料とし
てはポリイミド(アラミド)、ポリフェニレンサルファ
イド、ポリエステル、ポリプロピレンなどさまざまなも
のが使用でき、その中でもポリイミドが耐熱性、耐化学
薬品性、耐放射線性などに優れ、応用範囲が広いので好
ましい。 【0009】このような高分子材料からなる高分子材料
層の厚さは100nm以上200μm以下の範囲である
ことが大きな変形が得られ、かつ、疲労が少ない点で望
ましく、さらに10μm以上70μm以下の範囲である
ことがより望ましい。 【0010】一方、本発明において用いる金属は鉄、ニ
ッケル、アルミニウム、銅、タングステン、モリブデ
ン、クロム、コバルト、バナジウム、チタン、ニオブ、
ハフニウム、パラジウム、銀、金、ジルコニウム、白金
やこれらの合金などが使用でき、その中でもステンレ
ス、ニッケル、チタンが耐食性の点で好ましい。 【0011】このような金属からなる金属層の厚さは1
00nm以上200μm以下の範囲であることが大きな
変形が得られ、同時に、軽量であり、かつ、繰り返し変
形に対しても耐性が高くなるため望ましく、さらに20
0nm以上1μm以下の範囲であることがより望まし
い。 【0012】これら高分子材料層と金属層との間は充分
な強度で密着している必要がある。ここで、金属層は高
分子材料層の片面にスパッタリング、化学めっき(化学
めっき後の電気めっきの併用も可)、低温CVD、フラ
ッシュ蒸着等の手段により形成しても良い。 【0013】ここで、スパッタリング法によると、廃水
処理等が不要であり、また金属層形成のコストが低廉で
あり好ましい。なお、蒸着法などによって高分子材料層
の片面に金属層を形成した場合、基板(高分子材料層)
は高温により劣化してしまう可能性があるが、スパッタ
リング法によって金属層を形成した場合、基板の温度を
蒸着法により場合より低くすることが可能となるため
に、基板の劣化が少ない点も有利であり、高分子材料の
選択の幅が広がると共に、高度な耐熱性を必要としない
ため安価な材料を使うことが可能となる。 【0014】また接着剤によって接着させても良い。こ
のとき、高分子材料層と金属層との接着は比較的困難な
場合があるのでその場合にはプライマ処理、接合面の化
学的・物理的表面処理などの手段を併用する。 【0015】なお、上記で高分子材料と金属との組み合
わせの選定を行う場合において、それら熱膨張率が、用
いる温度領域において互いに充分に異なることが必要で
ある。また、用いる温度領域での充分な耐熱性、耐酸化
性、耐久性を勘案して材料を選択する必要がある。 【0016】ここで、本発明の熱誘起形状記憶材料につ
いてその一例の断面を図1にモデル的に示す。図中、金
属層を構成する金属(合金であっても良い)と高分子材
料層を構成する高分子材料とは熱膨張率が異なる。 【0017】このような、熱膨張率が互いに異なる高分
子材料層と金属層とが積層されてなる本発明の熱誘起形
状記憶材料によれば、インテリジェントアクチュエータ
として用いることができる可能性があり、異なる2種の
金属層を貼り合わせてなる従来のバイメタル材料と比較
して軽量化や、温度変化に伴う形状の変化がより大きな
変化、薄膜化による繰り返し変形に伴う材料の疲労が極
めて少なくなるなどの特性改善が可能となる。 【0018】また、金属層に電極を取り付け、金属層に
適当な電流を通電することにより発熱させ、所定の形状
を得ることも容易に行うことができる。この場合、金属
層を薄くすることで、従来のバイメタル材料(金属−金
属)では不可能であった高電気抵抗が可能であるため、
比較的小さい通電量で形状を大きく変形することが可能
となる。 【0019】さらに本発明の熱誘起形状記憶材料におい
て、製品の形状自由度が高いことから、スパッタリング
による金属層形成を行う場合、高分子材料からなる基板
の形状を予め目的の製品の形状(図2(a)にそのよう
な基板の例を示す。また、図2(a)の基板上に金属層
を積層した素子を加熱したときの形状の変化の例を図2
(b)に示す)としておくことにより、金属層形成後の
形状の加工や仕上げ加工等の後工程を省くことができ、
生産加工工程の省略、低コスト化を図ることができる。 【0020】本発明の熱誘起形状記憶材料は、様々な分
野への応用が可能である。例えば、円板形状の高分子基
板上に異なる熱膨張率を有し、かつ、同様形状の金属層
を積層して一体とした場合に、温度の変化に伴い、ある
いは上述のように電極を取り付け金属層に通電させたと
きにその通電量の変化に伴い、曲率が変化する椀状体を
形成することができる。このとき、アンテナ等に応用す
れば、例えば収納時(非使用時)はコンパクト(図3
(a)参照)に、使用時には所定の形状(図3(b)、
図3(c)参照、ただし、これら図はイメージ図であ
る)にすることなどが可能となる 【0021】また、本発明の熱誘起形状記憶材料の金属
層を回路の一部として電気機器に組み込んだ場合(図4
(a)参照)、過電流が流れた時に大きく変形する性質
(図4(b)参照、図中符号αが本発明に係る熱誘起形
状記憶材料)を利用して、過電流に対するヒューズとし
て用いることができる。この際、本発明の熱誘起形状記
憶材料が放熱して元の温度に戻るとその変形が解消する
ため、その回路は再度通電状態(図3(a)の状態)に
復帰する。 【0022】なお、本発明の熱誘起形状記憶材料の温度
変化に対する変形量からの歪算出方法について図5を用
いて説明する。一般に平板の曲げにおける歪εは中立面
の曲率半径ρ及び中立面からの距離ηと次式(1)の関
係がある。 【0023】 【数1】ε=η/ρ (1) 【0024】図5において中立面の曲率半径ρは金属薄
膜側表面の曲率半径r及び金属薄膜の厚さdfと次式
(2)の関係がある。 【0025】 【数2】ρ=r+df (2) 【0026】ここで中立面から基板側表面の距離ηs
基板(高分子材料層)の厚さdsに等しく、また、中立
面から金属薄膜側表面の距離ηfは金属薄膜(金属層)
の厚さdfに等しいので、変形による基板の最大歪εs
び金属薄膜の最大歪εfは次式(3)及び(4)からそ
れぞれ求めることができる。 【0027】 【数3】εf=df/ρ (3) εs=ds/ρ (4) 【0028】 【実施例】以下に本発明の熱誘起形状記憶材料について
具体的に説明する。厚さ25μmのポリイミドフィルム
(東レ・デュポン社製カプトン)の片面にマグネトロン
スパッタリング装置により、厚さ1μmのニッケル系合
金からなる金属層を形成し、本発明に係る熱誘起形状記
憶材料を得た。 【0029】この熱誘起形状記憶材料を長さ1cm、幅
0.5cmの短冊状に切り出し、長さ方向の一端を固定
し、様々な温度を変化させたときの曲率半径rを測定
し、歪εfを上記式(1)〜(3)を用いて算出した。 【0030】結果を図6に示す(図6中符号「□」は
「負荷加重なし」での結果を、「●」は負荷加重3.5
kPaのときの結果を、「△」は負荷加重7kPaでの
結果を、さらに、「▽」は負荷加重15kPaの結果
を、それぞれ示す)。図6より本発明に係るこの熱誘起
形状記憶材料では負荷応力が3.5kPa未満では変形
量にあまり影響が及ばないことが判る。 【0031】 【発明の効果】本発明の熱誘起形状記憶材料は、次のよ
うな効果を有する。 ・高分子材料は様々な有益な性質を有している。その高
分子材料に金属層を充分な強度で積層することによりさ
らに付加価値(本発明では熱誘起形状変位効果)を付け
加えることが可能である。 ・薄膜は今までにない特性を示すことがある。その薄膜
を高分子材料からなる基板上に積層することにより熱形
状記憶効果を付加することが可能となる。すなわち、曲
げの歪では中立面では引張歪と圧縮歪とは互いに相殺
し、機械的な歪が生じない領域ができる。しかし、中立
面から距離があるほど、歪量が大きくなるため、厚い材
料ではその表面での歪が大きくなってしまう。ここで、
本発明の熱誘起形状記憶材料の場合スパッタリングによ
り金属層を形成した場合、金属層の厚さを極めて薄くで
きるので大きく彎曲してもその表面の歪量が少なく、疲
労特性が向上する。 ・従来の金属−金属によるバイメタル材よりも軽量化で
きる。 ・従来の金属−金属によるバイメタル材よりも温度変化
に対してより変位量の大きいバイメタル効果が得られ
る。 【0032】上記熱誘起形状変異効果は具体的に、感知
機能(温度センサや赤外線センサ等)と作動素子機能
(アクチュエータ的機能やスイッチ機能)との2つの機
能を持つことができる。さらにこの2つの機能を併せて
利用することにより、例えばエアコンディショナー吹き
出し口付近の、風向きを制御するエアダンパ部分に本発
明に係る熱誘起形状記憶材料を用いれば、吹き出し口に
供給される気流の温度によりその風向きを変えることが
できる等の優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】 【図1】本発明に係る熱誘起形状記憶材料のモデル断面
図である。 【図2】(a)基板の例を示す図である。 (b)(a)の基板上に金属層を積層した本発明に係る
熱誘起形状記憶材料を加熱したときの形状の変化の例を
示す図である。 【図3】パラボラアンテナ素子に応用した場合の例を示
す図である。 (a)基板の例を示す図である。 (b)(a)の基板上に金属層を積層した本発明に係る
熱誘起形状記憶材料を加熱したときの形状の変化の例を
示す図である。 (c)(b)よりも温度変化が大きくなったときの形状
の変化の例を示す図である。 【図4】サーモスタット素子として本発明に係る熱誘起
形状記憶材料を電気回路に組み込んだ例を示すモデル図
である。 (a)通常の通電状態を示す図である。 (b)過電流が流れ、本発明に係る熱誘起形状記憶材料
の金属層が加熱して回路が切断された状態を示す図であ
る。 【図5】本発明に係る熱誘起形状記憶材料の変形時の曲
率半径から歪を算出するための説明図である。 【図6】本発明の実施例の熱誘起形状記憶材料の温度と
歪の変化量との関係を示す図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F078 AA03 AA07 AA15 AA18 4F100 AB01B AB16 AB31 AK01A AK49 BA02 BA26 EH66 EH662 GB51 GB66 GB90 JL02 JL05 5J020 AA03 BA08 CA02 5J046 AA09 AA18 AB05 DA00

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 熱膨張率が互いに異なる高分子材料層と
    金属層とが積層されてなることを特徴とする熱誘起形状
    記憶材料。
JP2002068632A 2002-03-13 2002-03-13 熱誘起形状記憶材料 Pending JP2003266589A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012131143A1 (en) * 2011-03-30 2012-10-04 Upm Rfid Oy Radio-frequency identification tag with activation portion
JP2013121670A (ja) * 2011-12-09 2013-06-20 Nichias Corp 複合材料、内燃機関及び自動車

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2012131143A1 (en) * 2011-03-30 2012-10-04 Upm Rfid Oy Radio-frequency identification tag with activation portion
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