荒木慶一 工学研究科准教授、大森俊洋 東北大学准教授、貝沼亮介 同教授、喜瀬純男 株式会社古河テクノマテリアル課長らの研究グループは、銅を主成分とする形状記憶合金の単結晶部材が量産できる製造プロセスを開発しました。
本研究成果は、2017年8月25日午後6時に英国の科学誌「Nature Communications」（電子版）で公開されました。
研究者からのコメント
実用面では、単结晶形状记忆合金部材の製造に要するコストが数百分から数十分の1と、飞跃的に低减できます。また、部材を単结晶化することで、変形回復や疲労などの特性を数倍から数十倍に向上でき、建物の耐震性を高める特殊部材（鉄筋の一部を代替）としての実用化に道筋がつきました。
本研究成果のポイント
- 単纯な热処理で金属の结晶粒が急激に成长する现象のメカニズムを解明
- 解明したメカニズムを基に、単结晶形状记忆合金の量产プロセスを开発
- 建物の耐震性を高める形状记忆合金部材の実用化に道筋
概要
1994年に米ロサンゼルスで大きな被害を出したノースリッジ地震や、阪神?淡路大震灾を引き起こした1995年の兵库県南部地震では、震度7の极めて强い揺れで高速道路や多くのビルが倒壊しました。また、倒壊しなかった多くの建物が、地震后に损伤や倾きのために取り壊され、取り壊しを免れた建物も补修に多大な时间とコストがかかりました。そのため、これらの地震と同程度の揺れが复数回起きても损伤や変形が残らず、地震直后に利用を再开できる建物の开発が切望されています。そのような中で、大きな変形でもすぐに形が元に戻る「超弾性」を有する形状记忆合金を、地震时に変形が集中する部位で鉄筋の代わりに使おうとする试みが、米国を中心に研究されています。
形状记忆合金には様々な种类があります。现在最も生产量が多く、カテーテルや歯列矫正ワイヤーなど医疗分野で広く利用されているニッケル－チタン形状记忆合金では、建物の耐震性向上に用いる特殊部材（直径が数センチ、长さ数十センチの部材）で良好な超弾性特性の実现は难しく、また実现できたとしても部材コストが非常に高価になります。そのため、ニッケル－チタン形状记忆合金と同等以上の超弾性特性を现実的なコストで実现できる、新しい形状记忆合金部材の量产技术の开発が切望されていました。
本研究グループは、贝沼教授らが1990年代に开発した铜を主成分とする「铜－アルミ－マンガン形状记忆合金（以下、铜系形状记忆合金）」を建物の耐震性を高める特殊部材として用いるため、2006年から研究开発を続けてきました。铜系形状记忆合金は，部材全体が一つの结晶粒（＝単结晶）の时に最も优れた超弾性特性を示すことが知られています。また、これまでの研究から、结晶粒の境目は破壊の起点となるため、大地震时の多数回の変形に耐えるには、部材の単结晶化が必要不可欠だと分かりました。
通常、金属の结晶粒は大きくとも1ミリ程度で、建物の耐震化で要求される直径が数センチ、长さ数十センチの特殊部材を単结晶化するには、製造コストが非常に大きくなるというのが従来の金属学の常识でした。また本研究グループも数年前までは、単结晶形状记忆合金部材を量产するのは実质上不可能と考えており、铜系形状记忆合金の超弾性特性や疲労特性の改善に向け、単结晶化とは异なる方法を模索していました。
この状况下で本研究グループは、铜系形状记忆合金において高温からの冷却と加热を繰り返すサイクル热処理で生じる、异常粒成长现象のメカニズムを解明しました。またその知见を基に、铜系形状记忆合金の単结晶部材を製造する热処理プロセスを开発しました。これは、単纯な热処理のみからなるプロセスで量产に适した技术です。これまでに直径1.5センチ、长さ70センチの単结晶棒材の製造を実証し、この棒材が优れた超弾性特性を示すことを确认しました。异常粒成长现象のメカニズムで最も兴味深いのは、部材の直径が大きいほど结晶粒が成长しやすい点です。これは、直径が大きいほど単结晶化しやすいことを意味し、学术的にも実用的にも、従来の常识を大きく覆す発见です。
図：异常粒成长により一つの结晶粒が粗大化する様子（白点线は各结晶粒の境界）
详しい研究内容について
书誌情报
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Tomoe Kusama, Toshihiro Omori, Takashi Saito, Sumio Kise, Toyonobu Tanaka, Yoshikazu Araki & Ryosuke Kainuma (2017). Ultra-large single crystals by abnormal grain growth. Nature Communications, 8, 354.
- 鉄鋼新聞（8月29日 4面）に掲載されました。
