JP6884299B2 - 複合強化型の磁歪複合材料及びその製造方法 - Google Patents
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Description
1)鋳造材料は脆く、難加工性で2次加工(線材、板材強加工(圧延、線引き)は“不可能”であった。
2)この2種類の磁歪合金の剛性は鉄系よりも半分以下であり柔らかく、2次加工(強加工)に伴い、内部に(結晶配向性変化、内部欠陥(われ、転位密度の不均質性、内部応力不均質性)が発生して、磁気/磁歪特性が大幅に低下してしまう。それゆえに、2次加工材から得られる圧延薄板や絞り込み細線の入手は不可能であり、それを用いた工業製品は皆無であった。
本発明は、軽量、ロバスト高強度、大発電力、応力負荷に耐える“自立発電型”スマート材料として多方面に展開することが可能な複合強化型振動発電材料及びその製造方法を提供することを目的とする。
Co=69-79at%の範囲において磁歪量は100ppmを超えるためこの範囲とすることが好ましい。
磁歪合金素材であるFeGa系(Galfenol、希土類系Terfenol−Dは鋳造後線材、板材への2次加工が困難である。すなわち、圧延、線引きなどによるによる2次加工に伴い、粗大で特有な熱処理制御の結晶組織の欠陥(結晶配向性、内部欠陥(割れ、転位密度の不均質性、内部応力不均質性)が発生して、磁気/磁歪特性が大幅に低下してしまう。
それに対して、Co過剰型組成の磁歪合金は強加工が可能であるため特に好ましい。
さらに、Co=69-79at%においては、磁歪量が100ppmを超えることからよりCoをこの範囲とすることがより好ましい。
請求項2に係る発明は、前記フィラーは引張残留応力、前記母材は圧縮残留応力を有する請求項1記載の磁歪複合材料である。
母材およびフィラー側に残留応力を発生させることにより強度とともに逆磁歪効果(漏れ磁束現象)より一層を増強した磁歪複合材料が得られる。
請求項3に係る発明は、前記フィラーは、鍛造材を伸線または圧延した2次加工品である請求項1又は2記載の磁歪複合材料である。
請求項4に係る発明は、前記母材は、ポリマー、金属又はセラミックスである請求項1ないし3のいずれか1項記載の磁歪複合材料である。
請求項5に係る発明は、前記ポリマーはエポキシ樹脂である請求項4記載の磁歪複合材料である。
エポキシ樹脂を母材する場合、セラミックあるいは金属を母材とするよりもより高い残留応力が得られる。
請求項6に係る発明は、Co過剰型組成(Co=69-79at%)の鉄基磁歪合金からなるフィラーを予応力を負荷しながら、母材に鋳込みを行うプロセスにより製造する磁歪複合材料の製造方法である。
請求項7に係る発明は、前記鋳込みを行う前の前記フィラーに、400〜600℃で鈍熱処理を施す請求項6記載の磁歪複合材料の製造方法である。
鋳込み前のフィラーに対して、焼鈍を行うと、as drawnあるいはas rolledの場合よりも磁気・磁歪特性が向上する。特にその傾向は、400〜600℃における焼鈍温度において現れる。
請求項8に係る発明は、前記フィラーは、鍛造材を伸線または圧延した2次加工品である請求項6又は7記載の磁歪複合材料の製造方法である。
請求項9に係る発明は、前記母材は、ポリマー、金属又はセラミックスである請求項6ないし8のいずれか1項記載の磁歪複合材料の製造方法である。
請求項10に係る発明は、前記ポリマーはエポキシ樹脂である請求項9記載の磁歪複合材料の製造方法である。
請求項11に係る発明は、応力負荷時の磁歪フィラーからの漏れ磁束(逆磁歪効果)を、請求項1ないし5のいずれか1項記載の複合材料の本体表面部の外側に設置した電磁誘導型コイルにより検出し、振動発電力を得るようにした発電装置である。
本発明によれば磁歪感受率dmが増大する。すなわち、磁歪曲線の立ち上がり勾配、dm=磁歪(λ)/印加磁場強さ(H))が増大する。本発明のフィラーは、線状であり、高いアスペクト比(長さ/径)を有している、
そのため、
a) 反磁界係数は低下し、内部に残留する磁束密度が増大し、磁束漏れが増加する。その結果、振動発電力の増加が期待できる。
b)残留磁区の増大;2次加工による長手方向(寸法比大)に結晶配向性が生じる。特に、磁化されやすい、鉄系<100>方位が強化されて、磁化されやすく、かつ、強加工に伴う、内部残留応力や転位密度や析出相分布により、残留磁区の数が増えて、漏れ磁束が増して、発電力が増大出来るものと考えられる。
本発明では、フィラーがプレストレス(内部残留応力)を有している。
FeCoファイバ強化複合材料(コンポジット)では、その製造プロセスにおいて、ファイバに引っ張り予備応力を加えたままでエポキシ母材に鋳込み固形化する。ゆえに、マトリックス(母材)側には圧縮応力残留、逆にファイバ側には引っ張り残留応力が発生する。このファイバ側残留応力が磁区の移動を促進させて、磁壁移動が多発して、漏れ磁束量が増えて、振動発電力が増大するものと考えられる。
本発明では、大きな“ひずみ速度(打点速度)依存性”を有し、そのために大きな発電力が得られる。
2次加工工程で強加工を施して得られたFeCo過剰型合金フィラーは、内部に結晶粒の不連続分布や大きな残留応力の不均質性が発生してくる。FeCo合金は剛性(ヤング率)が200GPaと、FeGaの2倍、Terefnol―D希土類系の4倍以上と、強度も2倍以上強く、かつ、硬い素材である。それゆえに、磁区の動的理論から、磁壁の障壁エネルギーが高くなっており、磁区を動かし、磁化を促進させるためには、初期に大きな応力負荷を必要とする。しかし、一度、この高いレベルの磁壁障壁を超えると、内部組織の不均質性による大きなダイナミック磁区挙動がおこり、外部に強い磁束を放出するようになる。ゆえに、FeCoファイバ強化コンポジットは、大きな“ひずみ速度(打点速度)依存性”による大発電力を発生することができたものである。
鉄やコバルトなどの強磁性体に外部磁場を加えて磁化すると,磁場の方向に歪みを生じる.これを磁歪効果(または、「ジュール効果」、「磁気ひずみ効果」)と称する。その長さ変化(歪)は大きなものではなく,割合変化(ΔL/L)
は10-6 〜10-5 程度であるが,応答速度はMHzオーダーまでと早いので、超音波発振器などの素子として利用されている.一方、これとは逆に、磁性材料に外部から応力(圧縮力や引張り力)を加えると、その寸法が変化すると同時に、その内部の磁化状態(電子スピン状態、磁区構造、透磁率など)も変わるので、周囲に漏れ磁束が発生する。この現象を逆磁歪効果という。この現象を利用することで、磁歪素材に加わっている負荷応力(外力)の大きさや歪みを評価するセンサへの適用できる。
その後,室温にて,24時間硬化させた.次に,硬化したFeCoファイバ強化複合材料を恒温炉内に入れ,80℃に加熱後3時間保持して後硬化させた。表3は,サンプルの最終的な形状(断面積A、長さl)、繊維体積含有vfおよび引張残留応力σ0の予測値を示したものである。比較のために,表3に示す寸法のEtrema製(USA)のGalfenolも用意した。また,表4に,それぞれの材料の弾性コンプライアンスs33,圧磁定数d33,2次の磁気弾性係数m,透磁率μ33を示した。
Claims (11)
- Co過剰型組成(Co=69-79at%)の鉄基磁歪合金からなり残留応力を有する線材及び/又は薄板が充填材(フィラー)として母材(マトリックス)に埋め込まれている複合強化型の磁歪複合材料。
- 前記フィラーは引張残留応力、前記母材は圧縮残留応力を有する請求項1記載の磁歪複合材料。
- 前記フィラーは、鍛造材を伸線または圧延した2次加工品である請求項1又は2記載の磁歪複合材料。
- 前記母材は、ポリマー、金属又はセラミックスである請求項1ないし3のいずれか1項記載の磁歪複合材料。
- 前記ポリマーはエポキシ樹脂である請求項4記載の磁歪複合材料。
- Co過剰型組成(Co=69-79at%)の鉄基磁歪合金からなるフィラーを、予応力を負荷しながら、母材に鋳込みを行うプロセスにより製造する磁歪複合材料の製造方法。
- 前記鋳込みを行う前の前記フィラーに、400〜600℃で鈍熱処理を施す請求項6記載の磁歪複合材料の製造方法。
- 前記フィラーは、鍛造材を伸線または圧延した2次加工品である請求項6又は7記載の磁歪複合材料の製造方法。
- 前記母材は、ポリマー、金属又はセラミックスである請求項6ないし8のいずれか1項記載の磁歪複合材料の製造方法。
- 前記ポリマーはエポキシ樹脂である請求項9記載の磁歪複合材料の製造方法。
- 応力負荷時の磁歪フィラーからの漏れ磁束(逆磁歪効果)を、請求項1ないし5のいずれか1項記載の複合材料の本体表面部の外側に設置した電磁誘導型コイルにより検出し、振動発電力を得るようにした発電装置。
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