エンジニアが新しい種類の形状を開発

Sep 27, 2023

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形状記憶金属は、温められるなどのトリガーによって、ある形状から別の形状に戻ることができ、さまざまな機器の動きを制御できるアクチュエーターとして、さまざまな用途に役立っています。 今回、金属ではなくセラミックで作られた新しいカテゴリーの形状記憶材料の発見により、特にジェットエンジン内のアクチュエーターや深いボアホールなどの高温環境での新たな用途が開かれる可能性がある。

この新しい発見は、本日、MIT材料科学工学部の元博士課程学生エドワード・パン博士、グレゴリー・オルソン教授とクリストファー・シュー教授による論文として、ネイチャー誌に報告された。

形状記憶素材には 2 つの異なる形状があり、それらの間で切り替えることができるとシュー氏は説明します。 それらは温度、機械的ストレス、電場や磁場によって簡単に引き起こされ、力を発揮する形で形状を変化させることができる、と彼は言う。

「それらは固体ピストンのようなものなので、興味深い材料です」と彼は言います。言い換えれば、何かを押すことができるデバイスです。 しかし、ピストンが多くの部品の集合体であるのに対し、形状記憶材料はそのすべてを行う固体材料です。システムは必要ありません。多くの部品も必要ありません。それは単なる材料です。 「自然に形が変わる。仕事もできる。だから『スマート素材』として面白い」と彼は言う。

形状記憶金属は、さまざまな機器の単純なアクチュエーターとして長い間使用されてきましたが、使用される金属の達成可能な使用温度、通常はせいぜい数百℃によって制限されます。 セラミックは、場合によっては数千度に達するはるかに高い温度に耐えることができますが、脆いことで知られています。 今回、MIT チームはこの問題を克服し、損傷を蓄積することなく作動できるセラミック材料を製造する方法を発見しました。これにより、何度も使用しても形状記憶材料として確実に機能することが可能になります。

「世の中に出回っている形状記憶素材はすべて金属です」とシュー氏は言う。 「原子レベルで物質の形状を変えると、非常に多くの損傷が発生する可能性があります。原子は再シャッフルして構造を変更する必要があります。そして、原子は移動し再シャッフルするので、それらを原子レベルに組み込むのはある意味簡単です」間違った箇所に欠陥が生じ、材料が損傷し、疲労が生じ、最終的にはバラバラになってしまいます。」

同氏はさらに、「最終的には何度か変形する可能性のある材料ができあがりますが、最終的には劣化してばらばらになる可能性があります。また、金属は非常に延性が高いため、損傷に対する耐性が少し高く、そのためこの分野は非常に注目されています」と付け加えた。金属は内側が損傷しても耐えられるからです。」

対照的に、セラミックは損傷にまったく耐えられず、通常は曲がることはなく破損します。 ジルコニアは形状記憶特性があることが知られていますが、形状記憶サイクル中に非常に簡単に損傷が蓄積されます。この特性は、高いヒステリシスとして測定されます。 「この研究で私たちがやりたかったのは、新しいセラミックを設計し、特にそのヒステリシスをターゲットにすることでした。私たちは、（形状の）変化が何らかの形で依然として巨大であるセラミックを設計したかったのです。私たちは多くの仕事をしたいと思っています。しかし、内部的には、原子スケールであれば、もっと穏やかです。」

シュー氏は、この研究を主導したパン氏が「計算熱力学、相変態物理学、結晶計算、機械学習など、名前を挙げられるすべての現代科学ツールをすべて取り入れ、これらすべてのツールをまったく新しい方法で組み合わせた」と説明している。 」 このような資料を作成するという問題を解決するために。

その結果、ジルコニアの新しいバリエーションが生まれました。 「基本的にはジルコニアです」とシュー氏は言う。 「見た目、匂い、味は、ジュエリーのキュービックジルコニアなど、人々がすでに知っていて使用しているジルコニアとまったく同じです。」 しかし、異なる元素のいくつかの原子がその構造に導入され、その特性の一部が変化しました。 これらの元素は「格子に溶け込み、格子を彫刻し、その変化を変え、原子スケールでより穏やかなものにする。」

ヒステリシスは非常に劇的に変化し、今では金属のヒステリシスに似ているとシュー氏は言います。 「それは非常に大きな変化でした。私たちは 10 倍について話しています。」 そして、この材料が達成できる変形は約 10% に達します。これは、この材料のロッドがトリガーされると 10% 長くなる可能性があることを意味します。これは重要な作業を行うのに十分です。

形状記憶材料の一般的な用途の 1 つはリリーフバルブです。リリーフバルブでは、何かのタンクが特定の臨界温度を超えると、その熱によってバルブが作動し、自動的に開いて圧力を解放し、爆発を防ぎます。 新しいセラミック材料は、現在の材料が処理できる温度よりもはるかに高い温度状況にもその能力を拡張できるようになりました。

たとえば、ジェット エンジン内の空気の流れを制御するアクチュエーターは、有用な用途になる可能性があるとパン氏は言います。 全体の環境は高温ですが、さまざまな気流チャネルが制御されているため、必要に応じてより冷たい空気またはより高温の空気をデバイスに向けることにより、それらの流れを使用して形状記憶セラミックを作動させることができます。

現在存在する形状記憶セラミックは、数回のサイクルでバラバラになってしまうため、「実験室の好奇心のようなもの」だとシュー氏は言う。 「これは、サービス中に何度も再現可能かつ確実に動作できるものを作成する方向への一歩です。」

チームは今後も材料の探索を続け、より大きなバッチやより複雑な形状で製造する方法を見つけ、多くの変形サイクルに耐える能力をテストする予定だ。

そもそもこのプロジェクトに惹かれたのは、その広範な応用の可能性だったとシュー氏は言う。 「多くの部品やアセンブリを含む複雑な機械システムを扱うことがありますが、複雑なパッケージを原子スケールで組み込まれた機能を備えた単一の材料で置き換えることができるというアイデアは、私にとって魅力的です。なぜなら、それは大きくて複雑なものを小さくて単純なものにするからです。ある意味、それは真空管をトランジスタに置き換えるようなものです。」

この材料が最初に実用化される分野を予測するのは難しいが、例えば「油圧ピストンを縮小するのは非常に難しい。それをミクロスケールで作るのは難しい」とシュー氏は言う。 しかし今では、「非常に小さなスケールでそのソリッドステートバージョンがあるという考えは、マイクロスケールの動きには多くの応用があると常々感じていました。狭い場所のマイクロロボット、ラボオンチップバルブ、作動が必要な多くの小さなものは、このようなスマート素材の恩恵を受ける可能性があります。」

これらの研究者は、「材料科学の知識、健全な設計原理、創造的思考をどのように組み合わせることで、他の方法では発見不可能と考えられている材料を発見できるかを示している」とテキサス A&M 大学材料科学工学教授レイムンド・アロヤブ氏は述べています。この作品に関係するもの。 同氏は、この研究は、「形状記憶セラミックスが金属の最良のものに近い特性を持ち得ることを実証する、十分にテストされた材料設計原則に基づいた、健全な『材料科学的思考』の力を美しく実証したものである」と述べている。対応者。」

この研究は、一部はマサチューセッツ工科大学兵士ナノテクノロジー研究所を通じて、米国陸軍研究局と米国国立科学財団によって支援されました。

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