Development of cryogenic temperature shape memory alloys
| Project/Area Number |
23K23070
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| Project/Area Number (Other) |
22H01802 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 26040:Structural materials and functional materials-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
貝沼 亮介 東北大学, 工学研究科, 教授 (20202004)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,160,000 (Direct Cost: ¥13,200,000、Indirect Cost: ¥3,960,000)
Fiscal Year 2024: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2022: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
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| Keywords | 極低温用形状記憶合金 / Cu-Al-Mn / 変態ヒステリシス / エントロピー変化 / 異常粒成長 / 変態ヒステリス |
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| Outline of Research at the Start |
水素社会や宇宙開発等の分野においては、150Kを下回る温度域における冷却技術やアクチュエータ技術が必要とされており、形状記憶合金は魅力的である。しかし、実用合金では利用が難しく低温の応用例が殆ど無い。Cu-Al-Mn合金は、極低温域での弾性熱量効果や形状記憶効果が期待できるものの、未だに低温弾性熱量効果や低温形状記憶効果は実証されていない。そこで、本研究では、150K以下に変態温度を有するCu-Al基形状記憶合金の変態温度やエントロピー変化の組成依存性を調査し、低温での断熱温度変化や形状記憶特性の評価を行い、世界初の極低温用形状記憶合金を開発する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
水素社会や宇宙開発等の分野においては、150Kを下回る温度域における冷却技術やアクチュエータ技術が必要とされており、形状記憶合金は魅力的である。しかし、実用合金では利用が難しく低温の応用例が殆ど無い。Cu-Al-Mn合金は、極低温域での弾性熱量効果や形状記憶効果が期待できるものの、未だに低温弾性熱量効果や低温形状記憶効果は実証されていない。そこで、本研究では、150K以下に変態温度を有するCu-Al基形状記憶合金の変態温度やエントロピー変化の組成依存性を調査し、低温での断熱温度変化や形状記憶特性の評価を行う。
今年度は、組成探索と単結晶化について研究を行った。適正な変態温度とΔSを得るため、①100K以下の低温でM変態を示す合金組成（方向性：MnやAl濃度の増加等）②異常粒成長のため必要な700℃付近にfcc固溶温度を持つ合金組成（方向性：Niの添加）③ΔSが比較的大きな合金組成（方向性：Niの添加）、の指針に沿って合金組成を探索した。ただし、組成調整でM変態温度を下げる（fccを不安定化する）ことは、異常粒成長に不利なfcc固溶温度の低下を招くことを意味し、①と②は両立し難い。その様な背景の中、精密な組成探索を行い両立する合金系候補を見出した。
サイクル熱処理法では、高温用DSCでfcc固溶温度を決定した上で、温度制御付き熱処理炉でサイクル熱処理を行い異常粒成長の有無について確認した。また、サイクル熱処理前に超弾性特性の良好な方位を長手方向とする集合組織を作製するため、様々な加工、熱処理条件で集合組織を調査し、集合組織制御についての知見を得た。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
予定していた研究内容について、ほぼ計画通りに進んでいるから。
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| Strategy for Future Research Activity |
２０22年度の研究結果を踏まえ、引き続き、組成探索や単結晶化に適正な変態温度とΔSを得るため、100K以下の低温でM変態を示す合金組成、異常粒成長のため必要な700℃ 付近にfcc固溶温度を持つ合金組成、ΔSが比較的大きな合金組成に着目しつつ合金探索する。
サイクル熱処理法では、fcc相の析出により亜粒界が導入され、その後の再溶体化中に亜粒界を駆動力とした粒成長が生じる。高温用DSCでfcc相の固溶温度を決定した上で、温度制御付き熱処理炉でサイクル熱処理を行い異常粒成長の有無について確認する。また、サイクル熱処理前に超弾性特性の良好な方位を長手方向とする集合組織を作製するため、様々な加工、熱処理条件で集合組織を調査し、集合組織制御についての更なる知見を得る。
CuAlMn単結晶について低温用引張試験機により4.2～200Kの温度範囲で一定荷重下での相変態による変位を測定し、変態温度と変態歪を測定する。この時、次第に荷重を増やし降伏応力を明確にし、出力の限界を調査する。また、この条件の繰り返し特性を明確にする。
極低温用機械試験機に熱電対を接触させながら急激な引張応力印加と除荷を繰り返すことで断熱温度変化の直接測定を行う。この実験を通してCu系合金が利用できる限界温度を明確にする。また、ヒステリシスから生じる散逸エネルギーも考慮し、実際に利用できる最低温度やエネルギー効率を見積もる。
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Report
(1 results)
Research Products
(5 results)
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[Journal Article] Non-Hookean Large Elastic Deformation in Bulk Crystalline Metals2022
Author(s)
S. Xu, T. Odaira, S. Sato, X. Xu, T. Omori, S. Harjo, T. Kawasaki, H. Seiner, K. Zoubkova, Y. Murakami, R. Kainuma
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Journal Title
Nature Commun.
Volume: 13
Issue: 1
Pages: 5307-5307
DOI
Related Report
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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