Entwicklungsgeschichte der Formgedächtnislegierung

Formgedächtnislegierung ist eine Art Formgedächtnismaterial mit hervorragenden Eigenschaften. Wenn es durch äußere Kräfte oder magnetische Veränderungen beeinflusst wird, kann es seinen vorherigen Zustand beibehalten, was als Formgedächtniseffekt bezeichnet wird. Die Anwendung dieser Materialien ist sehr einfach, wobei sich die Materialien durch äußere Krafteinwirkung leicht verformen lassen. Wenn sie durch externe oder interne Erwärmung auf eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, schrumpfen sie oder kehren in ihre ursprüngliche Form zurück. 1932 entdeckten schwedische Physiker diesen Formgedächtniseffekt erstmals in einer Au-CD-Legierung. 1938 beobachteten Greninger und Mooradian erstmals diesen Formgedächtniseffekt in Cu-Zn- und Cu-Sn-Legierungen. Bis 1969 wurde SMA erstmals kommerziell erfolgreich angewendet. Die Firma Raychem hat erfolgreich eine NiTi-Legierung als Rohrverbindung für das Öldrucksystem des F14-Jägers in den Vereinigten Staaten angewendet und eine gute Dichtleistung des Öldrucksystems erzielt.

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Formgedächtnis-Effekt

Der Formgedächtniseffekt einer Formgedächtnislegierung hängt im Wesentlichen mit der martensitischen Umwandlung in der Legierung zusammen. Die Formgedächtnislegierung liegt bei höherer Temperatur in Form von Austenit und bei niedrigerer Temperatur als Martensit vor. Wenn SMA erhitzt wird, beginnt es sich von der martensitischen Phase in die austenitische Phase zu ändern. Wie es ist

Sie ist definiert als die Temperatur, bei der die austenitische Umwandlung beginnt, und AF als die Temperatur, bei der die austenitische Umwandlung endet. Wenn SMA über eine Temperatur erhitzt wird, ändert sich die martensitische Phase allmählich zurück in die austenitische Phase und kehrt bei hoher Temperatur in die ursprüngliche Form zurück, was auch unter Hochlastbedingungen durchgeführt werden kann. Beim Abkühlprozess wird die Starttemperatur vom Austenit zum Martensit als MS definiert, und die Temperatur am Ende der Martensitumwandlung wird als MF definiert. Die Temperatur, bei der keine martensitische Umwandlung mehr durch Spannung induziert wird, wird als MD definiert. Oberhalb dieser Temperatur verformt sich SMA unter äußerer Krafteinwirkung und nimmt nach Entlastung sofort wieder seine ursprüngliche Form an. Formgedächtnislegierungen haben drei verschiedene Arten von Gedächtniseffekten (wie in Abbildung 1 dargestellt), die wie folgt gekennzeichnet sind:

① Einweg-Memory-Effekt. Wenn die Temperatur verringert wird, verformt sich die Legierung und kehrt dann durch Erhöhen der Temperatur in den Zustand vor der Verformung zurück, dh beim Erhitzen tritt ein Formgedächtniseffekt auf.

② Zwei-Wege-Memory-Effekt. Wenn die Legierung während des Erhitzens bei hoher Temperatur in den Zustand zurückkehrt und bei niedriger Temperatur in die Form zurückkehrt, wenn die Temperatur verringert wird. Da der Zwei-Wege-Memory-Effekt nur durch einen geeigneten „Trainingsprozess“ erreicht werden kann und die Belastung bei hoher Temperatur stark reduziert wird, hat er weniger kommerzielle Anwendung. Heat Force Cycling ist eine Art „Trainingsmethode“, um den Zwei-Wege-Formgedächtniseffekt zu realisieren. Es erreicht den Zweck des „Trainings“, indem es zwischen Austenit- und bestimmten Martensit-Varianten hin- und herwechselt;

③ Speichereffekt des gesamten Prozesses. Es bezieht sich auf den Zustand, in dem sich die Legierung während des Erwärmungsprozesses auf eine hohe Temperatur erholt. Wenn die Temperatur auf eine niedrige Temperatur reduziert wird, ändert sich die Form in die entgegengesetzte Form, wenn sie sich auf eine hohe Temperatur ändert.

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Der Formgedächtniseffekt ist eine Festphasen-Martensitumwandlung ohne Diffusion. Darüber hinaus gibt es andere Phasenumwandlungsprozesse, die mit dem Formgedächtnis zusammenhängen, wie etwa die R-Phasenumwandlung, die im Allgemeinen in einer Zwischenphasenumwandlung von Austenit zu Martensit auftritt. Bei der Rückumwandlung von Martensit gibt es eine thermische Hysterese, die ein Index zur Messung der Temperaturdifferenz zwischen Erwärmung und Abkühlung ist (dh Δ t = af-ms). Diese Eigenschaft der thermischen Hysterese ist sehr wichtig, und die thermische Hysterese des SMA-Materials muss bei der Anwendung der Zieltechnologie sorgfältig berücksichtigt werden, zum Beispiel ist für schnelle Antriebsanwendungen eine kleinere thermische Hysterese erforderlich, während für eine Rohrleitungsverbindung eine größere thermische Hysterese erforderlich ist wird benötigt, um sicherzustellen, dass die vordefinierte Form in einem größeren Temperaturbereich beibehalten wird. Die physikalischen und mechanischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnungskoeffizient, spezifischer Widerstand, Elastizitätsmodul usw.) einiger SMA vor und nach dem Phasenübergang sind ebenfalls unterschiedlich. Die Austenitphasenstruktur ist relativ hart und hat einen höheren Elastizitätsmodul, während die Martensitstruktur weicher und formbarer ist, das heißt, sie kann leicht durch Aufbringen einer äußeren Kraft verformt werden.

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Einführung von Formgedächtnislegierungsmaterialien

NiTi-Formgedächtnislegierungen werden aufgrund ihrer hervorragenden Biokompatibilität und mechanischen Eigenschaften in biomedizinischen Bereichen wie Legierungsstents, minimalinvasiven medizinischen Geräten, orthopädischer Chirurgie, Gehirnchirurgie und Stomatologie eingesetzt.

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Aufgrund der offensichtlichen Beschränkungen oder Mängel von SMA, wie z. B. hohe Herstellungskosten, begrenzte wiederherstellbare Verformung und Betriebstemperatur, werden jedoch andere Arten von Formgedächtnismaterialien erforscht.

Formgedächtnislegierung für hohe Temperaturen

Aufgrund der immer höheren Anforderungen an die Betriebstemperatur von Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen haben viele Forscher die Betriebstemperatur von Formgedächtnislegierungen erhöht, indem sie die Legierung des dritten Elements der NiTi-Legierung hinzugefügt haben. Tatsächlich wird die Hochtemperatur-Formgedächtnislegierung als die Formgedächtnislegierung definiert, die über 100 ℃ verwendet werden kann, aber aufgrund der großen

Die meisten Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen weisen bei Raumtemperatur eine schlechte Duktilität und Ermüdungsbeständigkeit auf, sodass sie schwierig zu verarbeiten und zu „trainieren“ sind, sodass die Herstellungskosten sehr hoch sind. Ferromagnetische Formgedächtnislegierung

Verglichen mit der herkömmlichen temperaturgesteuerten Formgedächtnislegierung hat die ferromagnetische Formgedächtnislegierung eine größere Ausgangsdehnung und eine höhere Ansprechfrequenz. Dies liegt daran, dass sich die Energie während des Servicevorgangs durch das Magnetfeld ausbreitet und nicht von der Wärmeleitfähigkeit und den Wärmeableitungsbedingungen des Legierungsmaterials beeinflusst wird. Sein Formgedächtniseffekt besteht darin, Zwillinge durch das äußere Magnetfeld zu erregen

Die bevorzugte Neuorientierung unter den martensitischen Varianten führt zur Makroformverformung der Legierung. Ferromagnetische Formgedächtnislegierungen können nicht nur die gleiche spezifische Leistung wie herkömmliche Gedächtnislegierungen liefern, sondern auch mit einer höheren Frequenz übertragen. Im Allgemeinen werden jedoch ferromagnetische Formgedächtnislegierungen im Anwendungsprozess auf ähnliche Konstruktionsprobleme wie herkömmliche Formgedächtnislegierungen stoßen. Außerdem ist die Härte der ferromagnetischen Formgedächtnislegierung sehr groß und spröde, sodass sie nur bei niedriger Temperatur verarbeitet und betrieben werden kann. Daher ist es schwierig, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung zu formen und zu formen, und sie ist derzeit nicht für Umgebungen mit hoher Temperatur und hoher Festigkeit geeignet. Daher ist es noch notwendig, die bestehende ferromagnetische Formgedächtnislegierung weiter zu untersuchen, um die Leistung des Materials weiter zu verbessern.

ferromagnetische Formgedächtnislegierung

Verglichen mit der herkömmlichen temperaturgesteuerten Formgedächtnislegierung hat die ferromagnetische Formgedächtnislegierung eine größere Ausgangsdehnung und eine höhere Ansprechfrequenz. Dies liegt daran, dass sich die Energie während des Servicevorgangs durch das Magnetfeld ausbreitet und nicht von der Wärmeleitfähigkeit und den Wärmeableitungsbedingungen des Legierungsmaterials beeinflusst wird. Sein Formgedächtniseffekt besteht darin, die bevorzugte Neuorientierung zwischen Zwillingsmartensitvarianten durch das externe Magnetfeld zu stimulieren. Die Makroformverformung der Legierung tritt auf. Ferromagnetische Formgedächtnislegierungen können nicht nur die gleiche spezifische Leistung wie herkömmliche Gedächtnislegierungen liefern, sondern auch mit einer höheren Frequenz übertragen. Im Allgemeinen werden jedoch ferromagnetische Formgedächtnislegierungen im Anwendungsprozess auf ähnliche Konstruktionsprobleme wie herkömmliche Formgedächtnislegierungen stoßen. Außerdem ist die Härte der ferromagnetischen Formgedächtnislegierung sehr groß und spröde, sodass sie nur bei niedriger Temperatur verarbeitet und betrieben werden kann. Daher ist es schwierig, eine ferromagnetische Formgedächtnislegierung zu formen und zu formen, und sie ist derzeit nicht für Umgebungen mit hoher Temperatur und hoher Festigkeit geeignet. Daher ist es noch notwendig, die bestehende ferromagnetische Formgedächtnislegierung weiter zu untersuchen, um die Leistung des Materials weiter zu verbessern.

Filmmaterial mit Formgedächtnis

Aufgrund der Anwendung von Materialien aus Formgedächtnislegierungen in mechanischen Systemen, insbesondere in Mikroaktuatoren, wurden Filme aus Formgedächtnislegierungen umfassend untersucht. Dünnfilmmaterialien mit Formgedächtnis werden im Allgemeinen als unabhängige Dünnfilme verwendet, um Mikroaktuatoren zu werden. In der rasanten Entwicklung von MEMS ist NiTi-Dünnfilm zur ersten Wahl auf der Mikroebene geworden

Der Aktuator kann aufgrund seiner hervorragenden Formgedächtnisleistung und hohen Frequenz immer noch eine große Ausgangsleistung aufrechterhalten. Es wird erwartet, dass die auf gesputterten NiTi-Filmen basierenden Mikro-NiTi-Treiber einen großen Teil des kommerziellen Marktes einnehmen werden, insbesondere für medizinische Mikrogeräte und implantierbare Anwendungen. Die Anwendung von Dünnschichtmaterialien mit Formgedächtnis in einigen Bereichen mit Umgebungstemperaturen von mehr als 100 ° C ist jedoch begrenzt, wie z Phasenwechseltemperatur höher als 100 ℃ wurde erhöht.

Entwicklungstrend der Formgedächtnislegierung

(1) Um neue Formgedächtnismaterialien zu entwickeln oder die bestehenden Formgedächtnismaterialien zu verbessern, beispielsweise um geeignete dritte Legierungselemente in das Formgedächtnislegierungssystem einzufügen, seine martensitische Umwandlung zu verbessern und eine feine Steuerung seines Umwandlungsprozesses auf der Mikroebene zu erreichen.

(2) Eine Formgedächtnislegierung mit hervorragenden funktionellen Eigenschaften kann mit anderen Materialien mit guten strukturellen Eigenschaften gemischt werden, um die Anforderungen spezieller Feldanwendungen zu erfüllen.

(3) Um den Bedarf an kommerzieller Anwendung zu decken, sollten wir seine kommerzielle Anwendung steigern und das Herstellungsverfahren für die Produktion im großen Maßstab verbessern.