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Warum hat Formgedächtnislegierung ein Gedächtnis?

Es gibt noch eine andere Geschichte über die Entdeckung der Eigenschaften von SMA-Materialien. Die frühe Erforschung dieses Materials begann in den 1930er Jahren, als Wissenschaftler einige unerwartete Eigenschaften verschiedener Metalle untersuchten. Der schwedische Chemiker Arne Ölander entdeckte bei der Beobachtung von Gold-Cadmium-Legierungen ein Pseudoelastizitätsphänomen und beschrieb es. Doch erst nach einem Laborunfall etwa 30 Jahre später wurde der Begriff „Formgedächtnislegierung“ wirklich verwendet.

Warum hat Formgedächtnislegierung ein Gedächtnis?

Der Formgedächtniseffekt bedeutet, dass ein fester Werkstoff mit einer bestimmten Form (meist ein Werkstoff mit thermoelastischer martensitischer Umwandlung) bei einer bestimmten Temperatur (im martensitischen Zustand Mf) eine bestimmte Grenze der plastischen Verformung erfährt und bei einer bestimmten Temperatur ( normalerweise die Martensit-Verschwindungstemperatur Af) des Materials kehrt das Material in seinen ursprünglichen Zustand vor der Verformung zurück.

Formgedächtnislegierung (SMA) ist ein neuartiges intelligentes Material. Seine Eigenschaft ist, dass es bei einer bestimmten Temperatur in seine ursprüngliche Form zurückkehren kann. Im Allgemeinen ist die Umgebung, in der diese Eigenschaft auftritt, eine hohe Temperatur. Seine superelastische Wirkung, die hohen Widerstandseigenschaften, die Variabilität des Elastizitätsmoduls bei verschiedenen Temperaturen und die Selbsterholungsfunktion werden von allgemeinen Metallmaterialien nicht realisiert.

Prinzip des Formgedächtniseffekts

Der Formgedächtniseffekt der Legierung ist ein besonderes thermomechanisches Verhalten, das durch die reversible Umwandlung der durch die thermoelastische Martensitumwandlung erzeugten Niedertemperaturphase (Martensit) in die Hochtemperaturphase (Austenit) beim Erhitzen entsteht.

Die meisten Formgedächtnislegierungen zeigen einen Formgedächtniseffekt durch thermoelastische Martensitumwandlung.

Die gewöhnliche martensitische Umwandlung ist ein Verfahren zum Abschrecken von Stahl, das heißt, den Stahl für eine gewisse Zeit auf eine bestimmte kritische Temperatur zu erhitzen und dann schnell abzukühlen, der Stahl wird in eine martensitische Struktur umgewandelt und der Stahl wird gehärtet.

Mit eingehender Forschung von Wissenschaftlern entdeckten sie nach und nach, dass nicht nur das Temperaturfeld und das Spannungsfeld den Formgedächtniseffekt induzieren können, sondern das Magnetfeld auch die martensitische Umwandlung induzieren kann, die zum Formgedächtniseffekt führt.

Es hat sich gezeigt, dass es viele Arten von Legierungen mit Formgedächtniseffekt gibt, die in drei Kategorien unterteilt werden können: Nickel-Titan-Legierungen, Kupferlegierungen und Eisenlegierungen. Gegenwärtig sind die einzigen praktikablen Formgedächtnislegierungen Legierungen auf Ni-Ti-Basis und Legierungen auf Cu-Basis.

Bisher wurden mehr als 50 Legierungen mit Formgedächtniseffekt gefunden, darunter: Au-Cd, Ag-Cd, Cu-Zn, Cu-Zn-Al, Cu-Zn-Sn, Cu-Zn-Si, Cu-Sn , Cu-Zn-Ga, In-Ti, Au-Cu-Zn, NiAl, Fe-Pt, Ti-Ni, Ti-Ni-Pd, Ti-Nb, U-Nb, Fe-Mn-Si usw.

Nachteile und Designüberlegungen

Bei der Entwicklung eines Designs oder einer Komponente mit SMA als Rohmaterial müssen einige Faktoren und Risiken berücksichtigt werden. Der Hauptnachteil von SMA ist das Risiko eines Ermüdungsbruchs. Die Häufigkeit, mit der ein bestimmtes SMA-Material nach dem Biegen und Deformieren ungefähr in seine ursprüngliche Form zurückkehren kann, ist begrenzt (zu oft kann es brechen).

Aus Sicht der Herstellung können die Produktionskosten von SMA hoch sein, was die Verwendung von SMA durch Hersteller und Verbraucher einschränkt. Nicht nur das, da die meisten dieser Materialien auf die Temperatur angewiesen sind, um Verformungen zu erzeugen, birgt die Verwendung von SMA in Geräten, die unter unkontrollierbaren oder instabilen Temperaturbedingungen arbeiten, gewisse Risiken.

Zu den vor- und nachgelagerten Industrien von Formgedächtnislegierungen gehören hauptsächlich die Biomedizin, Luft- und Raumfahrt, Mechanik und Elektronik, der Brückenbau, der Automobilbau und andere Industrien. Die Marktnachfrage nach Produkten in der Formgedächtnislegierungsindustrie steht in engem Zusammenhang mit der Nachfrage nach Produkten in der nachgelagerten Industrie und wird mit der Entwicklung des nachgelagerten Industriemarktes zunehmen. Synchrone Entwicklung.

Derzeit gibt es in meinem Land viele Unternehmen und Einheiten, die sich mit der Anwendungsforschung oder der Herstellung von Formgedächtnislegierungen befassen. In der frühen Entwicklungsphase der Industrie hat die Forschung zu Formgedächtnislegierungen durch Universitäten und verschiedene Forschungsinstitute eine große Rolle bei der Förderung der Entwicklung der Industrie gespielt. In den letzten Jahren sind einige inländische Hersteller von Formgedächtnislegierungen schnell aufgestiegen und haben eine wichtige Rolle beim technologischen Fortschritt der Industrie gespielt. In dieser Phase sind sie die wichtigste treibende Kraft für die Entwicklung der Formgedächtnislegierungsindustrie meines Landes.

Fortschrittliche Forschungsergebnisse zu Fremdformgedächtnislegierungen

1. Luft-und Raumfahrt

Super elastischer Reifen

Das NASA Glenn SMA-Team hat einen nicht pneumatischen Reifen entwickelt. Dieser superelastische Reifen wurde ursprünglich für zukünftige Missionen zum Mond und zum Mars entwickelt, ist aber heute eine praktikable Alternative zu Luftreifen auf der Erde. Diese Technologie ist vom Apollo Lunar Tire inspiriert, der eine hochbelastbare Formgedächtnislegierung als Last verwendet.Lager Komponente anstelle eines typischen elastischen Materials, wodurch der Reifen eine übermäßige Verformung ohne bleibende Schäden überstehen kann.

Dieser innovative Reifen des NASA Glenn SMA-Teams verwendet Formgedächtnislegierungen (hauptsächlich NiTi und seine Derivate) als tragende Komponenten. Diese Legierungen mit Formgedächtnis können erheblichen reversiblen Belastungen (bis zu 10 %) standhalten, sodass Reifen größeren Verformungen standhalten als andere nicht pneumatische Reifen, bevor sie einer dauerhaften Verformung unterzogen werden.

Verformter Flügel

Ingenieure des Glenn Research Center der NASA verwenden Formgedächtnislegierungen, um verformte Flügel herzustellen. Teile aus Formgedächtnislegierungen haben normalerweise 10 bis 20 % der Größe und des Gewichts herkömmlicher Teile. Flugzeughersteller, Forscher und Regierungsbehörden wie die NASA können diese Metalle nutzen, um mehr zu tun, als nur Treibstoff zu sparen. Kosten.

Boeing-Ingenieure haben ein System erfunden, um den Lärm von Turbinentriebwerken zu reduzieren. Es wird das „V“ der variablen Geometrie genannt. Beim Erhitzen verbiegt sich die Formgedächtnislegierung, und die Spitzen dieser V werden in den Abgasstrom eingetaucht, wodurch der heißen Luft eine geeignete Turbulenz hinzugefügt wird, um das Geräusch zu reduzieren. Je stärker die Formgedächtnislegierung erwärmt wird, desto mehr biegt sie sich, sodass bei unterschiedlichen Luftbedingungen mehr Winkel im V eingestellt werden können.

Faltbare Flügel

Ingenieure des NASA Glenn Research Center, des NASA Armstrong Flight Research Center und Boeing verwendeten erfolgreich eine Formgedächtnislegierung (SMA), um den Flügelabschnitt der F/A-18 Hornet in Originalgröße zu bewegen.

Dieser erfolgreiche Test ist ein Meilenstein für das Projekt Spanwise Adaptive Wing, das die Flugbiegung oder die Bildung eines Teils eines Flugzeugflügels untersucht. Die Fähigkeit, Flügel zu bilden, kann die Flugzeugleistung verbessern, indem Gewicht und Luftwiderstand reduziert werden, während die Flugzeugkontrolle verbessert wird.

Die NASA wird auch in Zukunft die SMA-Aktuatoren an den F/A-18-Flügeln testen, mit dem Ziel, die Drehmomentkapazität auf 2260 N zu erhöhen und sie an den Vorder- und Hinterkanten der Flügel anzubringen. Diese Forschung ist Teil des Spanwise Adaptive Wing Project der NASA, das untersucht, wie adaptive Flügel an Bord die Effizienz und Steuerungsfähigkeit von Flugzeugen verbessern können.

2. Maschinenindustrie

Kein Kältemittel-Kältesystem

Ein deutsches Forschungsteam hat einen Prototyp eines fortschrittlichen Heiz-/Kühlsystems entwickelt, das Luft durch Komprimieren und Entladen von Nickel-Titan-„Muskellinien“ erwärmen und kühlen kann. Der Wirkungsgrad ist doppelt so hoch wie der einer Wärmepumpe oder einer Klimaanlage. drei Mal. Das Gerät verwendet kein Kühlgas, was bedeutet, dass es eine umweltfreundlichere Art ist, Räume zu heizen oder zu kühlen.

Das Gerät basiert auf den besonderen Eigenschaften bestimmter Formgedächtnismetall-Legierungen. In einigen Fällen, insbesondere bei Nickel-Titan-Legierungen, nehmen diese Metalle beim Biegen und Verformen viel Wärme auf und geben dann Wärme ab, wenn sie in ihre normale Form zurückkehren können Linie kann bis zu 20°C betragen.

Leistung von Mikrorobotern

Professor Duncan Hand von der Heriot-Watt University im Vereinigten Königreich entwickelt einen neuen Legierungstyp für den Einsatz in komplexeren und kontrollierbareren Mikrorobotern. Um dieses fortschrittliche Material herzustellen, entwickeln Forscher eine neue Technologie namens Functionally Graded Laser Induced Forward Transfer (FG-LIFT).

Flexibler Roboterfinger

Diese Technologie verwendet einen gepulsten Laser, um dünne Metallfilme wie Nickel, Titan oder Kupfer, die auf ein transparentes Polymer laminiert sind, auf einem Substrat abzuscheiden. Daher kann diese Technologie wie ein altes Schreibmaschinenband verschiedene Metallfilme Schicht für Schicht auf das [Empfänger-]Substrat drucken, so dass es möglicherweise drei Schichten Titan, vier Schichten Nickel und eine Schicht Kupfer gibt. Auf diese Weise können dreidimensionale Elemente, die das Team als Voxel bezeichnet, aus verschiedenen Metallschichten aufgebaut werden. Das Material kann dann wärmebehandelt werden, um den Diffusionsprozess zwischen den Metallschichten in jedem Voxel sorgfältig zu kontrollieren, sodass die Forscher die Zusammensetzung des Materials genau kontrollieren können.

Quallenroboter

Bionischer Quallen-Roboter von SMA

Ein Team des indischen Mechatronik-Instrumentenlabors IITIndore hat eine weiche Roboterqualle basierend auf Polymeren mit Formgedächtnislegierung für die geräuschfreie marine biologische Überwachung mit intelligenten und weichen Materialien entwickelt. Die Soft-Robotik-Technologie ist eine aufstrebende Multimeter-Leistung im Bereich der Robotik. SMA kann als geeignete Wahl für die flexible Aktorik eingesetzt werden, um die Körperhaltung lebender Organismen zu imitieren. Es ist ein intelligentes Material, das sich von induzierter Verformung erholen und beim Erhitzen seine Gedächtnisform wiederherstellen kann.

Das Team hat den entwickelten Roboter in einer Laborumgebung getestet und eine Bewegung von 1cm/s erreicht. Das Gerät simuliert mit einem auf SMA-Federn basierenden Mechanismus das Flattern der hinteren Flosse des Fischschwanzes und erzeugt so eine Vortriebskraft, die den Roboterfisch schiebt. Der Vorteil bei der Entwicklung solcher Softroboter besteht darin, dass sie einen geräuschlosen Antrieb und eine einfache und flexible Konstruktion ermöglichen, die weniger Fertigungszeit in Anspruch nimmt. Das kontinuierliche Aufheizen und Abkühlen der Polymerstruktur auf Basis des SMA-Drahts ist für das Ausdehnen und Zusammenziehen der Antennen seines Körpers verantwortlich, die Schub erzeugen, um den Quallenroboter im Wasser zu bewegen.

Formgedächtnislegierungslager

Der Tribologie- und Rotationsmaschinenexperte der NASA, Christopher DellaCorte, versucht, eine Nickel-Titan-Legierung zur Herstellung von Gelenklagern zu verwenden, da herkömmliche Kugellager in extremen Umgebungen, insbesondere bei Luft- und Raumfahrtflügen, anfällig für Rost und Dellen sind. Nitinol unterscheidet sich jedoch von herkömmlichem Lagerstahl. Nitinol ist eine Kombination aus Nickel und Titan, meist kombiniert mit anderen Metallen. Die gebräuchlichste Legierung ist Nitinol 55, eine bekannte Formgedächtnislegierung (SMA). SMA ist ein hochelastisches Material, das sich verdrehen und biegen lässt, aber dennoch in seine ursprüngliche Form zurückkehren kann.

3. Alltag

Die Hauptanwendungen von Formgedächtnislegierungen im täglichen Leben sind: Temperatureinstellvorrichtungen, Überhitzungsschutzvorrichtungen, Mechanismen zur Anpassung der Windrichtung von Klimaanlagen, Brillengestelle mit Gedächtnis, Straßenlaternen mit Formgedächtnis, Handyantennen und Feuerinspektion Ventils.

Als neuer Materialtyp, der mit der kontinuierlichen Entwicklung von Wissenschaft und Technologie entstanden ist, verfügt Memory-Legierung über Superintelligenz und hohe Überlegenheit. Es hat den hervorragenden Vorteil, dass es in der Lage ist, verschiedene zuverlässige Komponenten mit überlegener Leistung, hoher Automatisierung sowie Verschleißfestigkeit und Verformbarkeit herzustellen. Durch den stetigen Anstieg des wissenschaftlichen und technologischen Niveaus ist auch die Nachfrage nach intelligenten Materialien in allen Lebensbereichen weiter gestiegen und Formgedächtnislegierungen haben breite Entwicklungsperspektiven.

Darüber hinaus steht die Formgedächtnislegierungsindustrie im Einklang mit dem nationalen strategischen Plan für aufstrebende Industrien und den zentralen und lokalen Unterstützungsrichtlinien, um die sieben aufstrebenden Industrien zu bestimmen, die vom Staat unterstützt und gefördert werden. In Zukunft mit der Entwicklung der Formgedächtnislegierungstechnologie und der Kostensenkung, der Förderung der Industriepolitik und der kontinuierlichen Verbesserung der Verbraucherakzeptanz. In Zukunft, mit der Verbesserung des Lebensstandards und der Konsumkraft der Menschen, werden Formgedächtnislegierungen allmählich in die tägliche Kommerzialisierung eintreten. Neben Produkten wie Autos, Robotern, Haushaltsgeräten und medizinischen Geräten werden auch einige kleine Gegenstände im Leben der Menschen die Popularisierung der Verwendung von Formgedächtnislegierungen auch dazu führen, dass der Markt für Formgedächtnislegierungen weiter wächst.

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