Was sind Formgedächtnismaterialien?

Heute bringen wir Ihnen in unserem Blog eine Materialart mit zunehmender Bedeutung, und es handelt sich um nichts anderes als Formgedächtnismaterialien.

Diese Materialien haben die Besonderheit, dass sie sich verformen lassen und später ihre ursprüngliche Form wiedererlangen, wenn sie einem äußeren Reiz (normalerweise Temperatur) ausgesetzt werden. Wie wir vor einiger Zeit in einem anderen Beitrag erwähnt haben , es ist ein intelligentes Material .

Como ejemplo, ¿a quién no se le ha doblado un cubierto o un alfiler? ¿Os imagináis que con dejarlos en el radiador recuperaran su forma original? Con este tipo de materiales es posible, y sus ventajas no se quedan ahí.

Was ist das?

Wie bereits erwähnt, können Formgedächtnismaterialien nach einer Verformung ihre ursprüngliche Form wiedererlangen. Wenn wir es so beschreiben, scheint sein Verhalten dem von elastischen Materialien ähnlich zu sein, aber in Wirklichkeit sind sie sehr unterschiedlich. Seine Einzigartigkeit liegt in der Tatsache, dass, wenn die Kraft, die die Verformung verursacht, verschwindet, seine verformte Form beibehalten wird und es notwendig ist, die Temperatur des Materials zu erhöhen, damit es in seinen ursprünglichen Zustand zurückkehrt.

Diese Wiederherstellung der ursprünglichen Form mit der Temperatur ist auf die Änderung der inneren Struktur des Materials zurückzuführen. Diese Materialien neigen bei niedriger Temperatur zu einer laminaren und fibrillären Anordnung , was leicht Verformungen zulässt , da sich einige Blätter in Bezug auf andere bewegen können; dies wird als martensitischer Zustand bezeichnet. Beim Erhitzen beginnt das Material selbst eine viel starrere kubische Anordnung einzunehmen, was nicht mehr zulässt die Bewegung des Materials und damit auch nicht die Verformungen; Dies wird als austenitischer Zustand bezeichnet. Dieser Übergang von der laminaren Struktur zur kubischen Struktur hat eine solche Kraft, dass das Material in seine ursprüngliche Form zurückkehrt und alle erlittenen Verformungen rückgängig machen. Wird die Temperatur wieder gesenkt, ordnet sich das Material wieder flächig an und kann erneut verformt werden. Dieser Vorgang ist typisch für die atomare Anordnung des Materials, was bedeutet, dass er unzählige Male wiederholt werden kann, ohne sein Verhalten zu beeinflussen und so beispielsweise mechanische Brüche durch Verschleiß oder Ermüdung in Sensoren oder Ventilen zu vermeiden.

Wozu dienen Formgedächtnismaterialien im Unternehmen?

Um diese Materialien dazu zu bringen, von der martensitischen Phase in die austenitische Phase überzugehen, ist es, wie gesagt, notwendig, ihre Temperatur zu erhöhen. Dies kann durch Wärmezufuhr erreicht werden , oder ganz bequem, indem Sie Strom anlegen . Die Tatsache, dass die Temperatur dieser Materialien, wie gesagt, mit Hilfe von Elektrizität erhöht oder gesenkt werden kann, macht sie zu idealen Kandidaten, um als Aktuatoren oder Sensoren zu fungieren. Die Erholung der Verformungen ist bei gleicher Temperatur immer gleich, wodurch sie als sehr präzise Aktoren und Sensoren dienen können. Darüber hinaus werden die normalerweise bei diesen Materialien auftretenden Verformungen schneller durchgeführt als bei anderen Arten von Materialien, die regelmäßig bei diesen Arten von Anwendungen verwendet werden.

Wir haben besprochen, dass formwandelnde Materialien ihre ursprüngliche Form wiedererlangen können, wenn sie Hitze ausgesetzt werden, und dann wieder verformt werden können. Dies ist für einige Anwendungen sehr praktisch, aber bei anderen, wie z. B. Aktuatoren, ist es erforderlich, von einer Position in eine andere zu wechseln, wobei beide fest sind. Ist das möglich? Die Antwort ist ja, es ist möglich, da es formveränderliche Materialien gibt, die bei unterschiedlichen Temperaturen zwei Formgedächtnisse aufweisen . Dies ermöglicht es, die Geometrie des Materials auf zwei verschiedene und bekannte Temperaturen einzustellen, was sehr praktisch ist.

Arten von Formmaterialien

Die bisher am weitesten verbreiteten Formgedächtnismaterialien sind solche metallischer Natur . Unter ihnen ist das sogenannte Nitinol (Nickel-Titan-Legierung) aufgrund seiner guten Eigenschaften eines der am häufigsten verwendeten. Trotzdem gibt es andere Metalllegierungen, die ebenfalls ein Formgedächtnis haben, wie z. B. Kupfer-, Zink- und Aluminiumlegierungen (Cu-Zn-Al); Kupfer, Aluminium und Nickel (Cu-Al-Ni); o Eisen, Mangan und Silizium (Fe-Mn-Si).

Bis vor kurzem wurden diese Arten von Materialien nur von metallischer Natur erhalten, aber die Forschung auf diesem Gebiet, die in den letzten Jahren stattgefunden hat, hat zum Auftreten von Kunststoff geführt Materialien mit Formgedächtnis. Diese sind aufgrund ihrer plastischen Beschaffenheit beispielsweise sehr vielversprechend in Anwendungen, bei denen leichtere Teile erwünscht sind. Auch formveränderliche oder selbstheilende Kunststoffmaterialien haben ähnliche Eigenschaften wie Formgedächtnismaterialien.

Andere Arten von Formmaterialien, die noch untersucht werden und deren Verwendung nicht so weit verbreitet ist, sind Formgedächtniskeramiken und ferromagnetische Materialien mit Formgedächtnis . Trotzdem sind wir sicher, dass all diese Materialien in Zukunft einen großen Einfluss haben werden.

Anwendungen

Hier zeigen wir Ihnen einige Anwendungsbeispiele:

Eine der Anwendungen, die sich gerade auszubreiten beginnt, ist die Verwendung dieser Materialien zum Verbinden von Rohren , ohne dass geschweißt werden muss. Das verwendete Prinzip ist einfach:Sie nehmen ein Material mit Formgedächtnis, platzieren es in den Rohren und wenden dann Wärme darauf an, damit es seine ursprüngliche Form mit einem größeren Durchmesser wiedererlangt, um die Rohre fest zu fixieren. Der Druck, der durch das Material von innen auf die Rohre ausgeübt wird, lässt sie aneinander haften und es ist sehr schwierig, sie zu trennen, in einigen Fällen halten sie besser als Schweißnähte.

Das gleiche Prinzip wird zum Beispiel im Gesundheitssektor zum Öffnen von Hindernissen verwendet im Körper. Es werden kleine Stents gebaut, die in verstopfte Venen oder Arterien eingeführt werden können und sich bei Kontakt mit Körperwärme ausdehnen, sodass das Blut wieder durchfließen kann.

Dies sind einige Anwendungen dieser Materialien in röhrenförmigen Geometrien, aber ihr Anwendungsgebiet und mögliche Geometrien sind sehr breit. Beispielsweise kann es auf Karosserien von Autos oder Flugzeugen aufgebracht werden , ihre Geometrie während des Umlaufs zu verändern und damit ihre Aerodynamik zu verbessern , wodurch der Kraftstoffverbrauch reduziert wird. Wenn wir an Aktuatoren denken, deren Funktion darin besteht, sich von einer Position zur anderen zu bewegen, könnte die große Mehrheit in Zukunft aus formveränderlichen Materialien bestehen!

Derzeit finden wir Formgedächtnismaterialien in medizinischen Geräten und Gesundheitsbedarf, von Zahnimplantaten bis zu chirurgischen Instrumenten (sie sind leicht zu sterilisieren). Auch in Alltagsgegenständen , wie Bügel-BHs, die die eigene Körperwärme nutzen, um ihre Form wiederzuerlangen, oder in Matratzen, die nach Verformungen durch das Sitzen ihre Form wiedererlangen. Da diese Materialien leicht, widerstandsfähig und hochtemperaturbeständig sind, werden sie auch häufig in Luft- und Raumfahrtkomponenten verwendet wie Raketen und Raumsonden.

Aufgrund all der Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile, die diese Materialien bieten, glauben wir, dass sie in den kommenden Jahren für viel Gesprächsstoff sorgen werden und wir sie immer mehr in immer mehr Produkten finden werden, ohne es zu wissen, da sie in vollem Gange sind und werden mehr und mehr untersucht.

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