JPH07525U - 複合機能材料製造プロセス - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】複合機能材料製造時の材料電磁プロセス設計に
より、混合形状記憶複合機能素子の配列・分布制御の自
由度を上げ、かつ電磁誘導効果により素子の加熱とそれ
に伴う形状記憶現象も制御して、複数の機能を有する各
種知的複合機能材料の作製を可能とする。 【構成】電磁場中で応答・移動・配向が自在で、かつ形
状記憶効果、耐摩耗性さらには防振性、音波・電磁波吸
収機能を有する形状記憶材料単体もしくは形状記憶材料
単体に強磁性体を内包もしくは被覆した複合機能材料素
子を金属、ポリマー、ガラス、紙さらには合板、モルタ
ル、コンクリートなど各種複合材料中で目的方向に最適
に制御・配列・分布させ、外環境温度変化に上記素子が
応答して形状変化して内部応力発生による熱膨張制御や
き裂閉鎖・材料強化作用、耐摩耗性さらには外的振動吸
収・滅衰、音波、電磁波波吸収・遮断なども可能になら
しめる知的複合材料作製用材料電磁プロセスおよびその
設計技術。

Description

【考案の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】 本発明は、母材とは異なる形状記憶効果、超弾性、吸振性、音波・電磁波吸収 、耐摩耗性を有する繊維、粒子などの形態を有する機能材料素子を第２、第３材 料要素として添加・混合したのち最適に配列、分布させ、その複合効果によりバ ルク材料自体に複数の機能性を具備させた金属、ポリマー、ガラス、紙、モルタ ル、コンクリートなど各種複合機能材料を製造するための電磁気を用いた材料製 造プロセスおよびその設計技術に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】 最近、形状記憶材料の長繊維、短繊維、リボン、フィルム、粉末粒子及びそれ らの急冷凝固材などをポリマー、金属、ガラス、紙、合板、モルタル、コンクリ ートなど各種母材に混合させて複合材料を作製し、母材との剛性の違いを利用し た複合組織化と形状記憶効果により材料強度を高めるととともにき裂閉鎖などの 自己修復性、さらには形状記憶材料の有する耐摩耗性、防振・内耗効果を取り込 んだ音波、電磁波吸収・遮断など複数の材料機能を有する、いわゆる知的複合機 能材料の研究・開発が開始されている。 【０００３】 しかし、この様な形状記憶素子を組み込んだ上記複合材料の諸機能性を効果的 に発現させるためには、混合させた形状記憶複合機能素子を複合材料の使用目的 に沿った形でその内部に最適に配列・分布させ、それと同時もしくはその後て素 子に温度変化を与えて形状記憶変形させる必要がある。例えば、図５に示される 厚肉管の場合の様に、最終的製品・部材の内部では力のかかる長手方向に形状記 憶繊維を配列させ材料強化をはかり、部材表面近傍では比表面積の大きな薄板、 線材さらには偏平型粒子やフィルム、リボンを密に分布させて耐摩耗性向上や外 部からの音波、電磁波吸収を積極的にせしめる複合材料設計が必要になる。 【０００４】 しかし、そのために用いられる工業材料的に有望なＴｉ−Ｎｉ，Ｃｕ−Ａｌ， Ｎｉ−Ａｌ系金属問化合物、形状記憶ポリマーに代表される形状記憶材料のほと んどは常磁性もしくは非磁性体なので、複合材内部に配列・分布させるためには 金属、ポリマー、コンクリートなどの母材と混合素子の比重の違いを利用して単 に静的に分離固化させるか，試料を回転させ遠心力を利用しながら凝固させる手 段しかないのが実状である。しかし、これらの素子の分離配列・分布技術手段で は、複雑形状を有する試料の両面や複数の混合形状記憶素子を目的方向に配列・ 分布させるためには制約があり、困難・不可能な場合も起こることになる。 【０００５】 以上、特に、複合材料製造プロセス中に素子自体を配列・分布させ、かつ加熱 させる技術手段とその製造プロセスは、形状記憶素子を含む知的複合材料の研究 開発が開始されたばかりなこともあり、ほとんど具体的提案はなされていないの が現状である。 【考案が解決しようとする課題】 【０００６】 本発明は、上記の知的複合機能材料を製造する際、混合された常磁性もしくは 非磁性の形状記憶複合機能素子を材料内部で目的方向に配列・分布させるのに、 複合材料製造プロセス中に電磁力を外部より付与して、その付与方法を設計する ことにより、上記の従来の技術的問題点を解決することを目的としている。 【０００７】 【課題を解決するための手段】 上記目的を達成するために、本発明の材料製造電磁プロセスおよび設計技術に おいては、複合機能材料製造プロセス中に、材料周囲に電磁コイルや電磁石を順 次もしくは組み合わせ配設し、それに負荷する電流を各プロセスで最適制御して 、電磁力により複合材料内部の形状記憶素子を応答・移動、配列・分布させ、さ らに、それと同時もしくは素子配列・分布操作後に外部からの高周波電磁場付与 により電磁誘導・うず電流現象を起こさせて素子を発熱させることが出来るよう にしたものである。 【０００８】 【作用】 本発明の複合機能材料製造時の材料電磁プロセス設計により、複合材料内部で の形状記憶素子の配列と分布をその材料の使用目的に合うように最適制御させる ことが可能となり、【産業上の利用分野】で示した高度な複数の機能を有する知 的複合機能材料の作製ができる効果が期待出来る。 【０００９】 【実施例】 実施例について図を参照して説明する。図１から図３には本発明で示した形状 記憶複合機能素子を母材中に混練させ、外部電磁場制御により知的複合材料を製 造するために必要な材料電磁プロセスの基本的流れを順次示す。まず、図１は、 複合材料の母体となるマトリク母相材料１に、形状記憶材料単体もしくはそれに 強磁性体を内包もしくは被覆した形状記憶複合機能素子を混練する過程である（ →プロセス（ａ））。 【００１０】 次に、図２に示される様に、混練処理を施した母材を電磁コイル３の内部もし くはその近傍に配置・設定させ、コイル３に直流もしくは低周波交流電流を流す と、混練素子２はコイル３から発生する磁束４による電磁力を受けて、その方向 に配列・分布する。この際、母材１が金属であれば、同時にある有形の形状に電 磁力による材料加工・成型も可能となる。（→プロセス（ｂ））。 【００１１】 次に、図３に示される様に、このコイル３に高周波電流を流すとに、形状記憶 単体もしくはその複合機能素子２表面には、電磁誘導すなわちうず電流効果によ る発熱現象が起こり、この熱を媒体にして素子は変態を起こし、予め記憶させた 形状、形態に変形する。もしも、加熱後の変形した素子５が、加熱前の素子形状 ２よりもその体積が小さくなれば、すなわち、加熱前の素子２が以前の形状記憶 熱処理状態よりも伸ばされていれば、このプロセス（ｃ）で素子自体は自己収縮 し、それに伴い母材には圧縮内部応力が発生すすことになる。この内部圧縮応力 により、この複合材料の引張り強度は上昇し、また、この複合材料製作時に不可 避的に生じた割れや小孔などは閉鎖され、自己修復機能による破壊抵抗を増大で きる効果が期待できる（→プロセス（ｃ））。 【００１２】 なお、プロセス（ｂ）のみで実機に組み込まれて使用された場合は、周囲の温 度変化などに伴い混練素子は同様な自己変形を起こし、プロセス（ｃ）と同様な 材料強化機構が期待できる。 それ故に、ここで提案した複合機能材料は、混練 素子と母材との剛性の相違による従来の複合材強化機能の他に外的環境温度など に自ら反応して自己強化、損傷修復が可能になるので複数の機能を具備した、新 しい複合機能＝知的（インテリジエント）材料の分類に入ると言うことができる わけである。 【００１３】 次に、電磁石や電磁コイルを母材近傍に設置して、複合材の内部形状記憶複合 機能素子の配列・分布を制御するための設計・技術の具体的例を図示する。 図４には、金型内で樹脂などに混練された形状記憶複合機能素子を電磁場により 複合材料の表面近傍に傾斜分布させ、複合バルク材料での耐摩耗性や音波・電磁 波吸収性能など向上させることを目的とする電磁プロセス設計例の断面図を示す 。射出機ノズル６から金型７、８により囲まれる空洞内に加圧密閉された樹脂母 材９の混練された形状記憶単体もしくはその複合機能素子からなる充填材１０を 、金型外部の両側に設定した電磁石からの矢印で示される吸引電磁力により、樹 脂両側に配列・傾斜分布させることが出来る。 【００１４】 この際の電磁プロセスとしては、まず、電磁石に直流もしくは低周波交流電流 を流して充填素子１０をその温度上昇を出来るだけ抑えながら表面近傍に移動さ せ傾斜分布させ、その後で高周波電流に切り替えて充填素子表面での電磁誘導・ うず電波効果を積極的に起こさせて、それに伴う発熱・温度上昇により素子自体 に形状記憶逆相変態を起こさせオーステナイト高温相とし、その後、材料使用温 度に設定したマルテンサイト定温側変態相領域まで再冷却して使用する様に混練 素子の形状記憶材料と相変態温度を選択しておくことが混練素子の有する低温側 マルテンサイト相での防振効果、音波・電磁波吸収性能を高めた複合機能材料設 計には特に重要である。 【００１５】 なお、図４および上述の電磁プロセス設計は、樹脂に限らず形状記憶素子を混 合した金属溶湯にも適用可能である。なお、複合バルク材料表面層での耐摩耗性 、防振性、音波・電磁波吸収性能などを向上させるためには、混練素子の形状記 憶変態前後での形態は、図６および図７に示される様に吸収対象物体との接触面 積が形状記憶変態後に多くとれる比表面積の差の大きなものが好ましい。 【００１６】 図５には、複合機能材料母材中に形状記憶複合機能材料の繊維１２と微細粒子 状素子１０を混練して、金属もしくは樹脂厚肉管製品１３の長手引き抜き方向強 化と肉厚方向圧縮応力発生強化または耐摩耗性向上、音波・電磁波吸収性能付与 を目的にした、試料全体を内包する電磁コイル１４と表面近傍を覆うように配置 した電磁石１５の組み合わせによる複合機能材料製造用電磁プロセス設計例を示 す。 【００１７】 この場合も図４と同様に電磁コイルおよび電磁石に流す電流形態を変化させて 、まず直流〜低周波交流で繊維および粒子状形状記憶素子を移動させ、その後、 特に電磁石１５は高周波電流に切り替えて、電磁誘導・うず電流加熱効果を起こ させて充填材１０の形状を比表面積の大きな図７に示す形態に形状記憶変化させ ることが上記の複合機能材料部材・製品の特性を高めるためには重要である。な お、本図５には電磁コイルと電磁石を同一図面中に描いているが、上記電磁プロ セス各段階でこれらの設備を順次配置・設定することが製造時の連続的作業には 有効である。 【００１８】 図６および図７には、前記【産業上の利用分野】および【従来の技術】で示し た各種複合機能材料の作製時に混合・混練するのに適した形状記憶材料単体もし くはそれに強磁性体を内包・被覆させて電磁場に応答しやすくした各種形状記憶 複合機能素子の混練時の形態（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）および加熱・形状 記憶変態終了後の形状変化の例（ａ）’（ｂ）’（ｃ）’（ｄ）’（ｅ）’を各 々示す。特に、作製される複合材料の表面近傍に配列・傾斜分布させて、耐摩耗 性、音波・電磁波吸収性能を向上させるためには、混合時には少ない体積にし、 例えば図４のノズル６より射出しやすくして、その後の電磁誘導加熱後に大きな 面積に変化でき、摩擦体もしくは吸収物体との接触面積が大きく取れる図７の素 子形態が有効である。 【００１９】 また、最近の論文報告、１９９１年日本金属学会春期大会講演概要集Ｐ．２４ ９、講演番号４１４：急冷凝固Ｔｉ−Ｎｉ系合金の機能特性（発表者：古屋、松 本、増本）に示されるように、前記各種知的複合機能材料に混練する形状記憶複 合機能素子としては、形状記憶効果が大きくとれ、強度さらには内耗・防振性も 優れ、比表面積の大きな急冷凝固法により作製された形状記憶合金などが最適で ある。 【００２０】 【考案の効果】 本発明は、以上に説明した様に構成されているので、以下に記載されるような 効果を奏する。 形状記憶複合機能素子を混合・混練して複合材料の機能特性を一層効果的に付 与するためには、複合材料内部での素子の配列と分布をその材料の使用目的に合 うように最適制御させることが不可欠となる。本発明の複合機能材料製造時の材 料電磁プロセス設計を用いれば、素子の配列・分布制御の自由度が上がり、かつ 電磁誘導効果により素子の加熱とそれに伴う形状記憶現象も制御出来ので、【産 業上の利用分野】で示した高度な複数の機能を有する各種複合機能材料の作製が 可能となる。

【図面の簡単な説明】 【図１】複合材料母材中への形状記憶複合機能素子溶解
・混合プロセス図である。 【図２】外部電磁場付与に伴う複合材料母材中での形状
記憶複合機能素子の配列制御および素子発熱・自己変形
を伴う材料成形プロセス図である。 【図３】素子形状記憶収縮とそれに伴う母材部内部応力
発生・き裂閉鎖、材料強化作用が起こる固体化プロセス
と知的（インテリジェント）＝複合機能材料説明図であ
る。 【図４】金型内で樹脂などに混練された形状記憶材料充
填材がその周囲の付与電磁場により樹脂母材外壁部分に
向かって傾斜分布した状態の断面図である。 【図５】形状記憶繊維と微細粒子状充填材を混練して、
これら形状記憶複合機能素子の変態変形により厚肉管の
長手方向強化と肉厚半径方向への圧縮応力発生・分布ま
たは音波・電磁波吸収機能付与を目的にした、試料全体
を内包する電磁コイルと表面近傍に配置した電磁石の組
み合わせによる複合機能材料製造用電磁プロセス設計図
である。 【図６】混練しやすい形状に変形された加熱・変態前の
各種形状記憶複合機能素子充填材の代表的形態図であ
る。 【図７】複合材料母材中で加熱・形状記憶変態終了後の
各種形状記憶複合機能素子充填材の代表的形態図であ
る。 【符号の説明】 １ 母材 ２ 形状記憶複合機能材料素子（形状記憶変態前） ３ 電磁コイル ４ 磁束 ５ 形状記憶複合機能材料素子（形状記憶変態後） ６ 射出機ノズル ７ コア金型 ８ キャビチィ型 ９ 母材（マトリクス） １０ 形状記憶複合機能素子充填材（傾斜分布） １１ 電磁石 １２ 形状記憶複合機能素子（繊維） １３ 厚肉管（パイプ） １４ 電磁コイル １５ 電磁石

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【手続補正書】 【提出日】平成６年３月９日 【手続補正３】 【補正対象書類名】図面 【補正対象項目名】図７ 【補正方法】変更 【補正内容】 【図７】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２２Ｃ 19/03 Ａ

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 【請求項目１】 電磁場中で応答・移動・配向が自在
   で、かつ形状記憶効果、耐摩耗性さらには防振性、音波
   ・電磁波吸収機能を有する形状記憶材料単体もしくは形
   状記憶材料単体に強磁性体を内包もしくは被覆した複合
   機能材料素子を金属、ポリマー、ガラス、紙さらには合
   板、モルタル、コンクリートなど各種複合材料中で目的
   方向に最適に制御・配列・分布させ、外環境温度変化に
   上記素子が応答して形状変化して内部応力発生による熱
   膨張制御やき裂閉鎖・材料強化作用、耐摩耗性さらには
   外的振動吸収・減衰、音波、電磁波波吸収・遮断なども
   可能にならしめる知的複合材料作製用材料電磁プロセス
   およびその設計技術