Formminne legering

fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til navigasjon Hopp til søk

Formminneslegeringer (forkortelse FGL , engelsk formminneslegering , forkortelse SMA ) er spesialmetaller som kan eksistere i to forskjellige krystallstrukturer. De blir også ofte referert til som minnemetaller . Dette stammer fra fenomenet at de ser ut til å kunne "huske" en tidligere form, til tross for påfølgende sterk deformasjon .

introduksjon

Faseovergang mellom høy temperatur fase (austenitt) og lav temperatur fase (martensitt). En deformasjon av materialet reverseres ved oppvarming.

Mens de fleste metaller alltid har den samme krystallstrukturen opp til smeltepunktet, har formminneslegeringer to forskjellige strukturer ( faser ) avhengig av temperaturen. Formtransformasjonen er basert på den temperaturavhengige gittertransformasjonen til en av disse to krystallstrukturene ( allotrop transformasjon). Som regel er det høytemperaturfasen som kalles austenitt og martensitt (lavtemperaturfase). Begge kan smelte sammen til hverandre på grunn av endring i temperatur (toveis effekt).

Den strukturelle transformasjonen er uavhengig av hastigheten på temperaturendringer. For å starte faseovergangen er parametrene temperatur og mekanisk spenning ekvivalente; det vil si at konverteringen kan skje ikke bare termisk, men også gjennom mekanisk belastning.

En kjent representant for denne allotrope transformasjonen er blant annet jern . Imidlertid har jern i seg selv ikke noe formminne, så en annen betingelse må være oppfylt. Formminneslegeringer trenger et antall like skjærsystemer i hvert krystallsystem , som skyldes den romlige symmetrien til enhetscellen . Hvis alle skjærene er jevnt fordelt under en transformasjon, kan ingen ytre endring i form sees. Imidlertid, hvis bare noen få skjærsystemer foretrekkes på grunn av ytre krefter, observeres endringer i form.

Den første observasjonen av effekten går tilbake til sveisearbeid på metallplater av nikkel-titanlegeringer, som ble utført i USA i 1953.

Brukbare effekter

Formminneslegeringer kan overføre veldig store krefter til flere 100 000 bevegelsessykluser uten merkbar tretthet. Sammenlignet med andre aktuatormaterialer har formminneslegeringer den desidert største spesifikke arbeidskapasiteten (forholdet mellom utført arbeid og materialvolum). Formminneelementer kan fungere i flere millioner sykluser. Med et økende antall sykluser forringes imidlertid egenskapene til formminneelementer, f.eks. B. en reststamme kan forbli etter konvertering.

I prinsippet kan alle formminneslegeringer utføre alle formminneeffekter. Den respektive ønskede effekten er produksjons- og materialteknologi og må trenes ved å koordinere applikasjonstemperaturene og optimalisere effektstørrelsene.

Engangseffekt (minne)

Enveiseffekten er preget av en endring i form når en prøve som tidligere har blitt pseudoplastisk deformert i martensittisk tilstand, blir oppvarmet. Det tillater bare en engangsendring i form. Den fornyede avkjølingen forårsaker ingen formendring, bare en iboende endring i gitteret (austenitt til twinnet martensitt). Hvis du vil ha formminne -legeringer for aktuatorene, z. B. som et justeringselement, må komponenten kunne gå tilbake til sin "kalde form". Dette er f.eks. B. mulig med et returelement i form av en fjær.

Toveis (minne) effekt

Formminneslegeringer kan også "huske" to former - en på høy og en ved lav temperatur - takket være toveis -effekten. For at komponenten skal gjenvinne sin definerte form når den avkjøles, må den "trenes" gjennom termomekaniske behandlingssykluser. Dette får stressfelt til å utvikle seg i materialet, som fremmer dannelsen av visse martensittvarianter under avkjøling. Således representerer den trente formen for kald tilstand bare en foretrukket form av martensittstrukturen.I tilfelle av den iboende toveis-effekten kan formen bare transformeres hvis det ikke er noen ytre krefter som motvirker den. Derfor kan ikke enheten utføre arbeid når den avkjøles.

Pseudo-elastisk oppførsel ("superelastisitet")

I tilfelle av formminneslegeringer, i tillegg til den vanlige elastiske deformasjonen, kan en reversibel formendring forårsaket av virkningen av eksterne krefter observeres. Denne "elastiske" deformasjonen kan overstige elastisiteten til konvensjonelle metaller opptil tjue ganger. Årsaken til denne oppførselen er imidlertid ikke atomernes bindingskraft, men en faseendring i materialet. For dette formålet må materialet befinne seg i høytemperaturfasen med en austenittisk struktur. Under ytre påkjenninger forvandles ansiktssentrert kubisk austenitt til tetragonalt forvrengt (kroppssentrert eller kroppssentrert, tetragonalt forvrengt gitter) martensitt (stressindusert martensitt). Når lasten er fjernet, omdannes martensitten til austenitt. Siden hvert atom beholder sitt nærliggende atom under transformasjonen, snakker man også om en diffusjonløs fasetransformasjon. Dette er grunnen til at egenskapen kalles pseudo-elastisk oppførsel . Når lasten slippes, går materialet tilbake til sin opprinnelige form på grunn av dens indre spenning. Ingen temperaturendringer er nødvendig for dette.

Denne effekten brukes blant annet innen medisinsk teknologi .

Magnetiske formlegeringer

I tillegg til de ovenfor beskrevne termisk eksiterte magnetiske legeringene, eksisterer formminneslegeringer (engl. Magnetic form memory legering, MSMA) som viser en magnetisk eksitert formendring. Når et eksternt magnetfelt påføres, forskyves tvillinggrensene, og det er en endring i form og lengde. Den oppnåelige endringen i lengden på slike legeringer er for tiden i området opptil 10% [1] med relativt små overførbare krefter (i motsetning til magnetostriktive materialer).

Materialer

Materialene som hovedsakelig brukes som formminne-legeringer, som også kalles kryogene materialer, er NiTi ( nikkel- titan , nitinol ) og, med enda bedre egenskaper, NiTiCu (nikkel-titan- kobber ). Begge er mest sannsynlig brukt som aktuatormaterialer. Konverteringstemperaturene er avhengige av en eksakt støkiometri (kvantitativt forhold). Hvis nikkelinnholdet er mindre enn 50 atomprosent, er det rundt 100 ° C. Hvis nikkelinnholdet i legeringen varierer, er det mulig å frembringe pseudo-elastisk eller pseudoplastisk oppførsel som austenitt eller martensitt ved romtemperatur. [2]

Andre kobberbaserte materialer er CuZn ( kobber - sink ), CuZnAl (kobber- sink - aluminium ) og CuAlNi (kobber-aluminium-nikkel). Selv om de er billigere, har de både høyere transformasjonstemperaturer og et dårligere formminne. De brukes spesielt innen medisinsk teknologi. FeNiAl (jern-nikkel-aluminium), FeMnSi (jern-mangan-silisium) og ZnAuCu (sink- gull- kobber) er mindre vanlige. [3] [2]

Søknad eksempler

  • Bruk som motor eller i generatorer (se f.eks. Thermobile )
  • I bilindustrien er formminnesaktuatoren den første applikasjonen i store mengder (> 5 millioner aktuatorer / år) for pneumatiske ventiler
  • De siste programmene på markedet er telefonkamerakorrigeringer, for eksempel autofokus og kort tid før markedsføringen, optisk bildestabilisering . [4]
  • Den høye aktiveringskraften brukes i hydrauliske pumper .
  • Ulike applikasjoner som medisinske implantater er utviklet, for eksempel for stents (små strukturer for å stabilisere arterier). En miniatyrisert blodpumpe ble presentert ved RWTH Aachen University , som settes inn i et blodkar nær hjertet i en komprimert form ved hjelp av et kateter og bretter seg ut i formen som en pumpe når den kommer i kontakt med blod ved kroppstemperatur.
  • Søknader innen bioanalyse, f.eks. B. Lab-on-a-Chip- systemer. [5]
  • Flate, tynne bøyeaktuatorer basert på ledninger i formminneslegeringer [6]
  • For bytte av mikroventiler [7]
  • I romteknologi brukes formminnematerialer ofte til distribusjon av solcellepaneler og lignende aktiviteter, hovedsakelig ved hjelp av enveiseffekten.
  • Bruk av de høye restaureringskreftene som applikasjon i varmemotorer [8]
  • Som aktuatorer som fjærer eller slingrende filmaktuatorer
  • Adaptiv endring av vinger og winglets på fly
  • Bruk av nitinol i endodontics for rotfyllinger behandling av sterkt krummede rot kanaler i hvilke en rustfri stål ekstirpasjon nål ville bryte.
  • Bruk som ledning i faste tannbøyler (" parenteser ") [9]
  • I stenger med fleksible brillerammer

Lignende materialer

litteratur

Tysk:

  • D. Stöckel: Legeringer med formminne. Industriell bruk av formminneeffekten. expert-Verlag, 1988, ISBN 3-8169-0323-1 .
  • M. Mertmann: NiTi -formlegeringer for aktuatorer i gripeteknologi . VDI Verlag, 1997, ISBN 3-18-346905-7 .
  • J. Spielfeld: Termomekanisk behandling av kobberlegeringer med formminne . VDI Verlag, 1999, ISBN 3-18-355705-3 .
  • P. Gümpel (Ed.): Form minnelegeringer. expert-Verlag, 2004, ISBN 3-8169-2293-7 .
  • S. Langbein, A. Czechowicz: Byggepraksis: Shape Memory Technology . Springer Vieweg, 2013, ISBN 978-3-8348-1957-4 .

Engelsk:

  • TW Duerig (red.): Ingeniøraspekter av formminneslegeringer . Butterworth-Heinemann, London 1990.
  • YY Chu: Form minnematerialer og dets applikasjoner. Trans Tech Publ., Zürich 2002, ISBN 0-87849-896-6 .
  • VA Chernenko: Fremskritt innen formminnematerialer. Trans Tech Publ., Zürich 2008, ISBN 978-0-87849-381-4 .

weblenker

Commons : minneeffekt - samling av bilder, videoer og lydfiler

Individuelle bevis

  1. A. Sozinov, AA Likhachev, N. Lanska, K. Ullakko: Giant magnetfeltindusert stamme i NiMnGa syv-lags martensittisk fase. I: Applied Physics Letters . teip   80 , nei.   10 , 2002, s.   1746 , doi : 10.1063 / 1.1458075 .
  2. a b Gunther Eggeler, E. Hornbogen: Materialer med formminne. I: Magasinet . Bind 9, nr.   1 , 1998, ISSN 0938-4081 ( online ).
  3. ^ Christina Elmer: Memory metal: Alloy returnerer alltid i sin opprinnelige form . Spiegel Online, 2. oktober 2013, åpnet 2. oktober 2013.
  4. ^ Jean-Pierre Joosting: Optisk bildestabilisator for formminneslegering debuterer i smarttelefonen. I: Microwave Engineering Europe. 13. januar 2015, åpnet 18. juli 2017 .
  5. Et sterkt minne. 2. mai 2019, åpnet 12. juni 2019 .
  6. ^ Intelligent materiale forbedrer aerodynamikken i biler og fly. Hentet 15. august 2019 .
  7. Miniventiler: Spesiell løsning for de minste medisinske produktene. 12. februar 2018, åpnet 12. juni 2019 (tysk).
  8. SMAterial.com - Søknader
  9. ^ R. DesRoches, J. McCormick, M. Delemont: Sykliske egenskaper for ledninger og barer i superelastisk formminne . I: Journal Of Structural Engineering . teip   130 , nei.   1 , 2004, s.   38-46 , doi : 10.1061 / (ASSE) 0733-9445 (2004) 130: 1 (38) .