幅広い温度領域で、磁場により体積が大きく膨張する新材料を発見 名古屋大学と東京大学

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名古屋大学は2023年1月25日、同大学大学院工学研究科と東京大学との研究グループが、室温を含む幅広い温度領域にて、磁場を加えることで体積が大きく膨張する新材料を発見したと発表した。有害な鉛を含まない新材料で、高性能なアクチュエータ材料としての応用が期待される。

ある物体に磁場を加えたときに形状や体積が変化する現象は、磁歪(磁場誘起歪)と呼ばれている。大きな磁歪を示す材料は超磁歪材料と呼ばれており、大きく高速な磁場応答を生かして、磁場により変位や駆動力を得る磁歪アクチュエータに実用されている。

磁歪アクチュエータは、精密位置決め素子やマイクロマシンの駆動部、力や位置の変化のセンサ、超音波を用いたソナーや洗浄機といったさまざまな用途に使用できる。特に現在、圧電効果を用いたアクチュエータが幅広く利用されているが、材料として有害な鉛を含むチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が使用されており、これに変わるアクチュエータ材料の開発が求められている。

しかし、これまで見出されてきた大きな磁歪を示す物質の大部分は、強磁性体の「磁石」としての性質である自発磁化の発現に伴って生じ、それ以外で大きな磁歪を示す例はほとんど知られていなかった。

研究グループは、Cr3Te4とCr2Te3の化学組成をもつクロムテルル化物の焼結体が、大きな体積膨張を伴う磁場誘起歪を示すことを発見した。特にCr3Te4では-260~80℃に至る広い温度領域で大きな体積膨張が現れ、9Tの磁場を加えたときに最大で1200ppmに達した。

こうした巨大な磁場中体積変化を示す物質は、熱膨張制御材料として有名なインバー合金に限られており、これらのクロムテルル化物が新しいアクチュエータ材料として有望であることを示す。また、この磁場中の体積膨張は、これまでの磁歪材料と異なる特徴を持つ。

まず、これまでの磁歪と異なり、磁場中で形状を保ちながら体積が大きく変化する。また、体積膨張が、ゼロ磁場から少なくとも9Tに至る広い磁場範囲でほとんど磁場に比例する。

実験結果に基づく考察により、大きな体積膨張を伴う磁場誘起歪は、結晶格子が磁場で異方的に変形する効果と、焼結体試料に存在する空隙の大きさが変化する材料組織の効果の協働で生じた可能性が高いことがわかった。これは新しい機構で、大きな体積変化を伴う磁場誘起歪を実現しており、強磁性体の磁区が重要な役割を担わなくてもよいことを意味する。

今回の研究により、これまでの材料と全く異なる物質群でのアクチュエータ材料の有力候補の開発や、自発磁化をもたない反強磁性体で大きな磁場誘起体積変化を示す物質が発見されることが期待される。

関連情報

磁場により体積が大きく膨張する新材料の発見 ――新たなアクチュエータ材料としての応用に期待―― – 名古屋大学研究成果情報

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