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 Two way memory effect. When the alloy returns to the state at high temperature during heating, and returns to the shape at low temperature when the temperature is reduced. Because the two-way memory effect can only be obtained through proper “training” process and the strain at high temperature will be greatly reduced, so it has less commercial application. Heat force cycling is a kind of “training” method to realize the two-way shape memory effect. It achieves the purpose of “training” by cycling between austenite and specific martensite variants;

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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The shape memory effect is a non diffusion solid phase martensitic transformation. In addition, there are other phase transformation processes related to shape memory, such as R-phase transformation, which generally occurs in an intermediate phase transformation from austenite to martensite. There is thermal hysteresis in the reverse transformation of martensite, which is an index to measure the temperature difference between heating and cooling (i.e. Δ t = af-ms). This thermal hysteresis property is very important, and the thermal hysteresis of SMA material needs to be considered carefully in the process of target technology application, for example, for fast drive application, smaller thermal hysteresis is needed, while for pipeline connection, larger thermal hysteresis is needed to ensure that the predefined shape is maintained in a larger temperature range. The physical and mechanical properties (thermal conductivity, thermal expansion coefficient, resistivity, Young’s modulus, etc.) of some SMA before and after phase transition are also different. Austenite phase structure is relatively hard and has higher Young’s modulus, while martensite structure is softer and more malleable, that is, it can be easily deformed by applying external force.

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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

Most high temperature shape memory alloys show poor ductility and fatigue resistance at room temperature, so it is difficult to process and “train”, so the cost of manufacturing them is very expensive. Ferromagnetic shape memory alloy

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.