JP5318973B2 - 形状変化材料および方法 - Google Patents

Description

本発明は、再構成可能な材料及び構造部材の分野に関する。

形状記憶材料は構造、コンポーネントおよびハードウェアをモーフィング、すなわち形状変化するために使用されている。形状記憶材料の使用の分野には改良の余地がある。

本発明の１特徴によれば、形状記憶材料は対向する主表面上のような多数の面上で加熱される。

本発明の別の特徴によれば、形状記憶材料は導電性材料の被覆、例えば１０ミクロン程度の厚さを有する導電性ポリマーの被覆を有する。

本発明のさらに別の特徴によれば、形状変化材料は、形状記憶材料層と、形状記憶材料層の表面上の導電層とを含んでいる。導電層は数十ミクロン程度の厚さを有する。

本発明のさらに別の特徴によれば、形状変化材料は、形状記憶材料層と、形状記憶材料層の表面上の導電層、およびヒーターを含んでいる。導電層とヒーターは対向する主表面を通して形状記憶材料層へ熱流束を与えるため、形状記憶材料層の対向する他の主表面へ熱的に結合される。

本発明のさらに別の特徴によれば、形状記憶材料を加熱する方法は、形状記憶材料の第１の主表面を加熱し、形状記憶材料の第２の主表面を加熱するステップを含んでおり、第１の主表面と第２の主表面は形状記憶材料の対向面上にある。第１の主表面の加熱は第１の表面と接触している導電性材料を通して行われる電気抵抗加熱である。

前述及び関連する結果の実現のために、本発明は以下十分に説明され、特に請求の範囲で指摘されている特徴を具備している。以下の説明及び添付図面は本発明の詳細な、ある例示的な実施形態で説明される。しかしながらこれらの実施形態は本発明の原理が使用されることができる種々の方法の幾つかを示している。本発明のその他の目的、利点、優秀な特性は図面を伴って考察するとき本発明の以下の詳細な説明から明白になるであろう。

本発明の１実施形態による形状変化材料の断面図である。 本発明の別の実施形態による形状変化材料の断面図である。 第１の構造における傾斜した翼に組み込まれる図１の形状変化材料を有する航空機の平面図である。 第２の構造における傾斜した翼を有する図３の航空機の平面図である。 第１の構造における構造の構造部材に組み込まれる図１の形状変化材料を有する航空機の斜視図である。 第２の構造における構造を有する図５の構造の斜視図である。 本発明の別の実施形態による形状変化材料の断面図である。

実寸大である必要はない添付図面は本発明の特徴を示している。
形状変化材料は形状記憶材料層の表面上に導電性の層を有する形状記憶材料を含んでいる。導電層は例えば１０ミクロン程度の厚さのフレキシブルな層であることができる。導電層は金属層または導電性のポリマー層であってもよく、化学蒸着または物理的気相蒸着のような蒸着によって、または電気めっきのようなめっきによって形成されることができる。導電材料は電気抵抗加熱により形状メモリ材料を加熱するために使用されることができる。導電材料は形状記憶材料において軟化または形状変化を生じるための加熱を与える一次ヒーターであってもよく、または一次ヒーターからの多量の熱を伴う二次ヒーター、例えば導電材料から形状記憶材料の対向面上の形状記憶材料の表面へ電気抵抗加熱を行う導電プレートであってもよい。形状変化材料は導電層表面と対向する導電層の表面上に絶縁層のような付加的な層を有することができる。絶縁層は、導電層からの熱損失を阻止し、導電層からのより多くの熱を形状記憶材料に誘導するように導電材料層を熱的に絶縁するために使用されることができる。形状変化材料の１つの使用法は形状変化材料のスキン材料として使用することである。このような使用法では、導電材料層は形状記憶材料と翼の外部表面との間に位置されることができる。

図１は形状記憶材料層12と、導電性材料層14と、随意選択的な熱絶縁層16とを含んでいる形状変化材料10を示している。材料10は形状記憶材料層12の加熱が材料10の形状を変化するために使用される任意の広範囲の状況で使用されることができる。材料10は加熱によるこの形状変化が実現されることができる意味でフレキシブルであるが、この材料10が形状変化に関係しないときは実質上剛性であることが認識されよう。

導電材料14は形状記憶材料12の第１の主表面18上にある。導電材料14は導電材料12から第１の主表面18まで第１の熱流束22を通して形状記憶材料層12を加熱するために電気抵抗加熱を行う第１のヒーター20として使用されることができる。熱流束22は導電材料14を通して電流を選択的に流すことにより選択的に与えられることができる。電力源24は抵抗加熱を開始するため導電材料層14に電流を選択的に適用するために与えられることができる。

さらに第２のヒーター28は形状記憶材料12の第２の主表面30と接触又は熱的に結合されることができる。第２のヒーター28は、第２の主表面30を通して第２の熱流束32を形状記憶材料12へ選択的に供給するために使用されることができる。第２のヒーター28は第２の電力源36により与えられる電流を流すことにより選択的に加熱される抵抗ヒーター、例えば電気抵抗加熱されたプレートヒーター34であってもよい。代わりに、第２のヒーター28は異なるタイプのヒーター、即ち加熱方法として抵抗加熱を使用しないものでもよい。他の加熱機構は磁気誘導またはマイクロ波による加熱を含むことができる。広範囲の他の加熱機構がよく知られ使用するのに有効であることが認識されよう。

導電材料14とヒーター28は形状記憶材料12の形状を変化するため、または外部電力が材料12の形状を変化することを可能にするため形状記憶材料12を加熱することに使用されることができる。ヒーター28は材料12を軟化および／または材料12の形状を変化させるための大部分の熱を与える形状記憶材料12の主ヒーターであることができる。導電材料14は付加的な熱流束を与え、熱流束32から材料12の対向面（主表面）18上に熱流束22を適用することによって材料12の温度上昇をさらに高速度で均一にする二次ヒーターとして使用されることができる。導電材料14からの熱はまた材料12の第１の面（主表面）18を通して生じる熱損失を防止することができる。

形状記憶材料12の加熱は形状変化材料又は構造10の形状を変化するプロセスの一部であることができる。形状記憶材料の加熱は材料12の形状変化を可能にするために材料12を軟化できる。形状変化材料12はその後その新しい形状における形状変化材料12に対して剛性を回復するために能動的または受動的に冷却されることができる。材料12の形状変化を行うために使用される力は任意の種々のソースからくる。形状変化材料または構造10における対応する形状変化を起こすために移動されることができる基底構造またはスケルトンが存在してもよい。代わりに電気又は磁力によるような機械的以外の外力が与えられることができる。さらに、代わりにまたは付加的に形状記憶材料12の形状記憶特性は形状変化材料または構造10の変化に使用される一部又は全ての力を与えることができる。

形状記憶材料12は形状記憶ポリマーを含むことができる。形状記憶ポリマーは発泡体または非発泡体であることができる。形状記憶材料12はここでは少なくとも５％の応力における弾性変形が可能な材料として規定されている。ポリマー発泡体のようなあるタイプの形状変化材料は３００％または４００％のようなさらに大きい応力における弾性変形が可能である。形状記憶材料12は１以上の方向で膨張及び収縮することができ、材料の体積を変化する発泡体材料であることができる。形状記憶材料12はここで使用されているように実質的に空隙のない材料を意味する固体材料であってもよい。形状記憶材料12は発泡体としておよび／またはゲルとして固体形状における形状記憶ポリマー材料であってもよい。

広範囲の適切な添加物がポリマーを形状記憶ポリマーにするために使用されることができることが認識されよう。形状記憶ポリマー材料のガラス転移温度とその他の特徴は添加物のタイプと量により制御されることができる。形状記憶ポリマー材料の他の特徴は、材料が露出される化学的または他の環境に適合することができることである。形状記憶材料12はポリウレタンベースの材料またはエポキシベースの材料であることができる。シアン酸エステルベースの材料も使用されることができる。広範囲の他のポリマーが使用されてもよいことが認識されよう。発泡体材料は純樹脂材料よりも非常に多くの応力の容量を有する利点がある。しかしながら発泡体材料は固体材料ほどの堅牢さはないことが認識されよう。純樹脂のポアソン比は約０．４乃至０．５である。形状記憶ポリマー発泡体のポアソン比は０．１よりも小さい可能性がある。

材料12は必ずしも形状記憶ポリマー材料である必要はないことが認識されよう。形状記憶特性のないエラストマーまたはエラストマー発泡体が使用されてもよく、ここで説明されるようにそれらの形状は電磁力により制御される。しかしながら形状記憶ポリマーはこのようなポリマーが環境的劣化に対して優れた耐性を与えることができ、これらはそのガラス転移温度を超えるまたは下回る有用な特性を有するように公式化もされる。形状記憶ポリマー材料を参照して種々の実施形態をここで説明するが、これらの参照は形状記憶特性をもたないポリマー材料も含むことを意図されていることを理解すべきである。

導電材料14は種々の導電材料の任意のものであってもよい。１例は広範囲の導電ポリマーの任意のものである。別の可能性は銅のような導電金属である。導電材料14は薄い、例えば１０ミクロンの厚さ程度、またはより広く言えば数十ミクロンの厚さ程度であってもよい。限定のない例を与えるため、導電金属は０．０２５ｍｍ（０．００１インチ）程度の厚さであることができる。導電材料14はフレキシブルであるように十分薄く、それによって下に位置する形状記憶材料12と共に形状を変化できる。

導電材料14は化学蒸着または物理蒸着のような適切な蒸着方法により形状記憶材料12上に位置させることができる。別の可能な方法は形状記憶材料12上に導電材料14を電気めっきすることである。

絶縁層16は熱損失を防止し、導電材料14から熱を誘導し、導電材料14から形状記憶材料12へ熱を誘導するのを助けるために導電材料14に設けられることができる。絶縁層16は形状記憶材料12と接触している導電材料14の主表面（面）と反対側の導電材料の主表面上にあることができる。導電材料14はしたがって形状記憶材料12と絶縁層16との間に位置されることができる。

絶縁層16は良好な熱絶縁を行う広範囲の軽重量の材料の任意のものでよい。絶縁層16は発泡材料、例えばポリウレタンのような弾性ポリマー発泡体から作られることができるが、非発泡体材料が代りに使用できることが認識されよう。

薄いプラスティック層のようなスキン層44が絶縁層16の上部表面上に設けられることができる。スキン層44は平滑な外部表面が形状変化材料または構造10で望まれる状況では望ましい。スキン44は形状変化プロセスを通じて連続的であり途切れない状態である連続的な外部表面を与えることができる。連続的な外部表面を維持しながらの形状変化はここでは「モーフィング」と呼ばれる。

形状変化材料10は内部ヒーターのみからの形状記憶材料12の加熱に関して、形状記憶材料12のより迅速で均一な加熱ができる利点を有する。内部ヒーターのみを使用する加熱は形状記憶材料12を横切る大きな温度勾配を必要とする可能性がある。

温度勾配は、形状記憶効果をトリガーするのに必要な少なくとも最小の付勢温度、即ち形状記憶材料12の他の部分の温度が材料が分解する温度を超えることができる温度まで到達するために十分な大きさである。この問題はより厚い形状記憶材料2では深刻になることが認識されよう。対向する主表面18と30のような形状記憶材料12の多数の表面上で加熱を行うことによって、形状記憶材料12はより均一な温度を有することができる。これは材料12のいずれの箇所でも分解温度を超えずに形状記憶材料12が実質的に材料12全体を通して形状記憶付勢温度を超えることを可能にする。

エポキシベースの形状記憶ポリマー発泡体から作られる航空機のスキンがスキン内部から加熱され、スキンの外側が飛行中に環境に露出されるとき、結果的な定常状態の温度分布は外部表面上よりもスキンの内部表面上で少なくとも１０倍高い温度を生むことを先に示した。この研究で考察される材料はエポキシ形状記憶ポリマー発泡体であり、これは約７５℃のガラス転移温度を有していた。しかしこの研究での結果は無次元化され、任意の通常または形状記憶ポリマーで作られた航空機のスキンについて、一桁の温度勾配は定常状態で発生することが示された。ポリマーの分解温度はポリマー種にしたがって、典型的に数百から約１０００℃程度である。しかしながらポリマーの分解温度が上昇すると、そのガラス転移温度も上昇し、航空機スキンがスキンヒーターによって内部から加熱されるときに生じる温度勾配で生存できるポリマーは存在しないことが考えられる。

多くの代わりの構造が可能であることが認識されよう。１つの可能性を与えるため、導電材料14とヒーター28は異なる電力供給を有するのではなく同じ電力供給を共有することができる。図２は代わりの構成を示しており、ここでは形状変化材料10’は、完全にヒーター28（図１）なしであり、抵抗ヒーターの導電材料層14のみに依存している。

形状変化材料10は図１では積層された構造として示されている。材料は平面または湾曲された或いは円形断面のような種々の構造であってもよいことが認識されよう。材料10は全て円形断面または長方形断面部材に沿って或いはこのような部材の外部部分に沿って使用されることができる。多くの他の可能な構造が可能である。

図３および４は航空機62の航空機翼60のスキンのような形状変化材料10についての１つの可能な使用を示している。翼60は図３に示されている比較的小さい翼幅構造から図４に示されている比較的大きい翼幅構造へ変形することができる。形状変化材料10は翼60が１つの構造から別の構造へモーフするとき連続的な外部スキン表面を維持する。翼60は１以上のテレスコープ部材64からなるスケルトン64のような内部構造を有することができ、これは翼60に対する構造的な統合性と、恐らく１つの形態から別の形態へ翼60を拡張および収縮するための力を与える。材料10の加熱システムは形状記憶材料12（図１）を軟化するために使用されることができ、スケルトンは材料10の形状を変化するための力を与えるために使用される。両側上での形状記憶材料12の加熱は形状記憶材料12のさらに高速度の軟化を促進し、翼の形状間のより高速度の変形を可能にする。さらに空気流に面する材料10の面上に熱を与えることは翼60からの反作用的な熱損失を促す。

図５および６は再構成可能な部材82の一部分として形状変化材料10を含んでいる構造80を示している。構造80は図５に示されている収納された構造である第１の形態から図６に示されている展開された形態であり、部材82が拡張された形態へ広げられている第２の形態へ変形可能である。部材82は中心電気ヒーターまたは材料10のためのヒーター28（図１）として作用するその他のヒーターの周辺に形状変化材料10を含むことができる。中心ヒーター及びヒーターの導電材料14（図１）を使用して材料10を加熱することは形状記憶材料12（図１）が先にインプリントされた形状、即ち図６に示されている配備された形状を回復させる。

構造80は形状変化材料10を使用できる任意の種々の適切な構造を表している。構造の可能性は、非常に小さい例えば血管の閉塞を除去する等のような生物医学的器具から潜在的に非常に大きい例えば無人航空機、有人航空機、レーダーディッシュ及び太陽パネルを含めた立体構造の範囲に及ぶ。

図７は別の構造形状変化材料110を示している。形状変化材料110は形状記憶材料層112と導電層114を含み、これらは同じベース材料を有するが異なる深さでは異なる特性を有する材料層115の異なる部分である。材料層115は先の実施形態に関して前述したような形状記憶ポリマー材料のような形状記憶材料を有することができる。形状記憶材料層112は任意の導電材料添加物のない実質的に純または純粋な形状記憶材料であることができる。導電層114はその導電層114を導電性にし、抵抗加熱に使用できるようにするのに十分な量の導電材料添加物を含むことができる。

材料層115は形状記憶材料層112中の非導電性（または導電性の少ない）から、より導電性のある（導電層114中の電気抵抗加熱を可能にするのに十分な導電性）までの範囲である段階的に変化する電気特性を有している。段階的な電気特性は導電層114中の形状記憶材料中に導電材料を置くことにより生成されることができる。導電材料は少数の例だけを挙げると、金、銀および／またはプラチナのナノサイズの粒子からミクロンサイズの粒子のような導電材料粒子の層の形態で形状記憶材料中に配置されることができる。ナノサイズの粒子は導電層114中の材料の重量の２０〜３０％までであることができる。ミクロンサイズの粒子は導電層114中の材料の重量の８０％程度であることができる。導電粒子は適切な位置で材料層115に混合されることができ、磁力又はその他の力が導電層14中の導電粒子の濃度を濃縮し、および／または維持するために使用されることができる。形状記憶材料層112と導電層114との間には急峻な境界は存在せず、この２つの間には電気特性のグラデーションが存在することが認識されよう。

材料層115は他の適切な特性を有する他の層で被覆されることができる。例えば絶縁層116は導電層114の上に存在でき、および／またはスキン層120は材料表面122に位置されることができる。材料110の他の部分はヒーター134、電力源124および136の使用を含めて材料10（図１）の部分と類似することができる。

本発明をある好ましい１又は複数の実施形態に関して示し説明したが、この明細書及び添付図面を読み、理解すれば、等価の代替及び変更が当業者により行われることは明白である。特に先に説明した素子（コンポーネント、アセンブリ、装置、組成等）により行われる種々の機能に関して、このような素子の説明のために使用される（「手段」の参照を含めた）用語は他に示されていなければ、本発明のここで説明された１又は複数の例示的な実施形態において機能を行う説明された構造に対して構造的に等しくなくても、説明した素子の特定された機能（即ち機能的に等価）を行う任意の素子に対応することが意図されている。さらに、本発明の特別な特性を幾つかの示された実施形態の１以上のみに関して説明したが、このような特性は任意の与えられた又は特別な応用で所望され有効であるとき、他の実施形態の１以上の他の特性と組み合わせられることができる。
以下に、本願出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］形状記憶材料層と、
前記形状記憶材料層の表面上の導電層とを具備し、
ここで前記導電層は数十ミクロン程度の厚さを有している形状変化材料。
［２］前記導電層は導電ポリマー層である前記［１］記載の形状変化材料。
［３］前記導電層は金属層である前記［１］記載の形状変化材料。
［４］前記導電層は付着層である前記［１］乃至［３］のいずれか１つに記載の形状変化材料。
［５］前記形状記憶材料層は発泡体材料を含んでいる前記［１］乃至［４］のいずれか１つに記載の形状変化材料。
［６］前記形状記憶材料層は形状記憶ポリマーを含んでいる前記［１］乃至［４］のいずれか１つに記載の形状変化材料。
［７］さらに、熱絶縁層を具備し、
前記導電層は形状記憶材料層と前記絶縁層との間に配置されている前記［１］乃至［６］のいずれか１つに記載の形状変化材料。
［８］前記形状記憶材料を抵抗電気加熱するために電流を前記導電層を通して流すための電力源と組み合わせられる前記［１］乃至［７］のいずれか１つに記載の形状変化材料。
［９］構成可能な航空機翼の一部である前記［１］乃至［４］のいずれか１つに記載の形状変化材料。
［１０］前記導電層は形状記憶材料と翼の外部表面との間に位置されている前記［９］記載の形状変化材料。
［１１］前記翼の前記外部表面は前記形状変化材料の平滑なスキンである前記［１０］記載の形状変化材料。
［１２］前記形状記憶材料の下部のヒーター、および前記ヒーターと前記導電層との間の前記形状記憶材料と組合わされている前記［１］乃至［１１］のいずれか１つに記載の形状変化材料。
［１３］前記導電層と前記形状記憶材料層は段階的な電気特性を有する単一材料の一部である前記［１］乃至［１２］のいずれか１つに記載の形状変化材料。
［１４］形状記憶材料層と、
前記形状記憶材料層の表面上の導電層と、
ヒーターとを具備し、
前記導電層と前記ヒーターは前記形状記憶材料層の対向する各主表面に熱的に結合され、それによって前記対向する主表面を通して前記形状記憶材料層へ熱流束が与えられている形状変化材料。
［１５］前記導電層は数十ミクロン程度の厚さを有している前記［１４］記載の形状変化材料。
［１６］前記形状記憶材料の第１の主表面を加熱し、
前記形状記憶材料の第２の主表面を加熱するステップを含み、前記第１の主表面と前記第２の主表面は前記形状記憶材料の対向面に存在し、
前記第１の主表面の加熱は前記第１の表面と接触する導電材料層を通して行われる電気抵抗加熱である形状記憶材料の加熱方法。
［１７］前記第１の主表面の前期加熱は前記第１の主表面と接触する導電材料層を使用する電気抵抗加熱である前記［１６］記載の方法。
［１８］前記導電材料層は１０ミクロン程度の厚さの付着層である前記［１７］記載の方法。
［１９］前記導電材料層は導電ポリマーを含んでいる前記［１８］記載の方法。

Claims (9)

1. 発泡体材料を含んでいる形状記憶材料層と、
   前記形状記憶材料層の表面上の導電ポリマー層である導電層と、
   前記導電層からの熱損失を阻止して前記導電層からより多くの熱を前記形状記憶材料層へ誘導するように、前記導電層を熱的に絶縁する熱絶縁層とを具備し、
   前記導電層は形状変化可能であり、前記形状記憶材料層と共に形状を変化し、
   前記導電層は前記形状記憶材料層と前記熱絶縁層との間に配置されており、
   前記形状記憶材料層の下部のヒーター、および前記ヒーターと前記導電層との間の前記形状記憶材料層と組合わされている、形状変化材料。
2. 発泡体材料を含んでいる形状記憶材料層と、
   前記形状記憶材料層の表面上の金属層である導電層と、
   前記導電層からの熱損失を阻止して前記導電層からより多くの熱を前記形状記憶材料層へ誘導するように、前記導電層を熱的に絶縁する熱絶縁層とを具備し、
   前記導電層は形状変化可能であり、前記形状記憶材料層と共に形状を変化し、
   前記導電層は前記形状記憶材料層と前記熱絶縁層との間に配置されており、
   前記形状記憶材料層の下部のヒーター、および前記ヒーターと前記導電層との間の前記形状記憶材料層と組合わされている、形状変化材料。
3. 前記形状記憶材料層は形状記憶ポリマーを含んでいる請求項１または２のいずれか１項記載の形状変化材料。
4. 前記形状記憶材料層は前記導電層よりも前記形状変化材料の外部表面から遠い位置に配置されている請求項１乃至３のいずれか１項記載の形状変化材料。
5. 前記形状記憶材料層を抵抗電気加熱するために電流を前記導電層に通す電力源と組み合わされている請求項１乃至４のいずれか１項記載の形状変化材料。
6. 構成可能な航空機翼の一部である請求項１または２のいずれか１項記載の形状変化材料。
7. 前記導電層は形状記憶材料層と翼の外部表面との間にあり、
   前記翼の前記外部表面は前記形状変化材料の平滑なスキンである請求項６記載の形状変化材料。
8. 前記導電層と前記形状記憶材料層は、段階的な電気特性を有する単一材料の一部である請求項１乃至７のいずれか１項記載の形状変化材料。
9. 前記導電層は十ミクロンの厚さを有している請求項１乃至８のいずれか１項記載の形状変化材料。

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