エンジニアが新しい形状を開発

Oct 06, 2023

マサチューセッツ工科大学、マサチューセッツ州ケンブリッジ

新しいカテゴリーの形状記憶材料（金属ではなくセラミック）の発見は、特にジェットエンジン内のアクチュエーターなどの高温設定において、新たな用途の範囲を開く可能性があります。

形状記憶素材には 2 つの異なる形状があり、それらの間を切り替えることができます。 これらは、温度、機械的応力、電場や磁場によって簡単に引き起こされ、力を及ぼす形で形状を変化させることができます。

マサチューセッツ工科大学材料科学工学部のクリストファー・シュー教授は、「それらは固体ピストンのようなもので、興味深い材料です」と述べた。 言い換えれば、何かを押すことができる装置です。

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」と氏は付け加えた。

形状記憶金属は、さまざまなデバイス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 (通常は最高数百℃) によって制限されます。

セラミックは、形状記憶金属よりもはるかに高い温度（場合によっては数千度まで）に耐えることができますが、脆いです。 MIT のチームは、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。

「世界中にあ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」間違った箇所を損傷すると、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。

「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あるため、損傷に対する耐性が少し高くなります。そのため、この分野では金属に重点が置かれてきました。なぜなら、金属は内側が損傷しても、それに耐えることができるからです」とシュー氏は付け加えた。

チーム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を目指しました。 「私たちは、（形状の）変化がどういうわけかまだ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、原子スケールでは、それはより穏やかです」と彼は言いました。

シュー氏は、この問題を解決するために、チームは「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最新の科学ツールをすべて取り入れ、まったく新しい方法でこれらすべてのツールを組み合わせた」と説明した。 。

その結果、ジルコニアの新しいバリエーションが誕生しましたが、異なる元素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。 元素は「格子に溶け込み、それを彫刻し、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述べた。 そして、材料が達成できる変形は約 10% になります。

ジェットエンジン内部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研究チームは指摘した。 全体的な環境は高温ですが、さまざまな気流チャネルが制御されているため、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。

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、さらなる変形サイクルに耐える能力をテストする予定だ。

詳細については、Abby Abazorius までお問い合わせください。このメール アドレスはスパムボットから保護されています。 表示するには JavaScript を有効にする必要があります。 617-253-2709。

この記事は、Tech Briefs Magazine の 2023 年 2 月号に初めて掲載されました。

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