形状記憶合金(歯科矯正線材)の機械特性評価

スマートマテリアルはセンサ機能やアクチュエータ機能等を、それ自身に内包した新素材を意味し、これまでの複雑な機械システムの簡素化や小型化を実現することができる可能性を持つため、近年盛んに研究開発が行われています。
スマートマテリアルの一種として注目されている「形状記憶合金」は、温度変化や応力誘起に起因する相変態や逆変態によって材料の微細構造が変化することにより形状記憶効果や超弾性効果を示し、医療から家電、衣服、ロボットなどの幅広い分野で用いられる様になってきています。
ここでは形状記憶合金が実用化されている歯科矯正材(線材)を試料として、機械特性(回復率の温度依存特性)を評価した例をご紹介します。

試料及び測定

形状記憶合金歯科矯正用線材は、長期間にわたり弱く一定した矯正力を歯に与えることができ、患者の通院回数の低減や矯正材装着による不快感を抑えられるという利点があります。また、矯正力の強さは逆変態終了温度(Af点)とヒトの口腔内温度との差に依存することが知られており、異なる逆変態点終了温度を有する数種類の矯正用線材が患者の歯周状態、疼痛感度などに応じて使い分けられています。

歯科矯正用線材として用いられている変態点(Af)点^注1)の異なる3種類のNi-Ti系形状記憶合金線材(試料名A、B、C と表記)を使用しました。
　
回復率を求めるための定温回復試験を「島津精密万能試験機 AG-1kNX形」を用いて実施しました。試験条件は、一定負荷速度(0.3mm/min)でひずみ5％まで引張負荷を加えた後、応力0まで除荷を行う往復(負荷-除荷)負荷とし、全過程での試験力と伸び(ひずみ)を測定しました。

注） Ni-Ti系形状記憶合金の温度を上昇または下降させた場合、合金中のある相が他の相へと変態する変態点が現れます。
各変態点は以下のように定義されています。

Af点： 加熱の際、マルテンサイトから母相(オーステナイト)への逆変態が終了する温度
（負荷を与えられて変形した形状記憶合金はAf点以上の温度環境に置かれると形状回復を示します）

試験結果（回復率の測定）

試験温度を変えて取得したこれらの曲線は形状記憶合金の特徴を示しています。すなわち負荷過程では応力増加とともにひずみも増加しますが，ある応力に達するとひずみのみの増加となり，また逆の除荷過程でも一定の応力以下で応力が変化しない領域が出現しています。これらは力学的な負荷過程でも2種の相(オーステナイト/マルテンサイト)の遷移が生じ，その混相状態ではいわゆる「超弾性」が現れていることによるものです。

Fig.1　試料Bに対する応用- ひずみ曲線

 

Fig.2　各試料に対する回復率

 

　Fig.1 によると、試験温度25℃、37℃、60℃では応力一定である超弾性領域が認められましたが、0℃では明瞭ではありません。(除荷過程では応力が「負=圧縮」となっています)
各試料で同様の試験を行い、それらのデータを基に求めた回復率をプロットしたものをFig.2に示します。
　試料 A は約25℃、試料Bは約37℃、試料Cは約50℃以上(これらの温度はそれぞれのAfに相当)の温度領域で高い回復率となることがわかります。ヒトの口腔内温度は平常時には体温と同じ約37℃程度ですが、飲食時にはおおよそ0℃から60℃の範囲で変動すると言われています。歯科矯正用線材はこのような温度変化を受けるため、その温度･機械特性を評価することは非常に重要といえます。

特長

• 高精度ロードセルを採用(高精度形は0.5級、標準形は1級)
  ロードセル定格の1/500～1/1の広い保証範囲。信頼性の高い試験評価をサポートします。
• クロスヘッド速度範囲
  0.001～1000 mm/minの広範囲で試験可能です。
• 高速サンプリング
  最高1 msecの高速サンプリング。
• オペレーションソフトウェア TRAPEZIUMX LITE X
  効率を高めるシンプルなソフトウェアです。
• ジョグコントローラ(オプション)
  クロスヘッド位置を手元で操作できます。ジョグダイヤルを用いることで微小な位置調整が可能です。
• 応用試験装置
  ラインナップされている豊富な治具に取り替えることにより、様々な試験に対応可能です。