Formgedächtnistechnik

Die Formgedächtnistechnik bezeichnet die Technologie hinter Formgedächtnislegierungen (FGL) und befasst sich mit der Gesamtheit aller Formgedächtniswerkstoffe sowie deren Anwendung.

In Abhängigkeit von Temperatur und Druck können Metalle drei unterschiedliche Zustände annehmen: Festkörper, Flüssigkeit, Gas.

Der Übergang von einem Zustand in den anderen wird korrekter Weise als Phasenumwandlung bezeichnet. Einen Zustand, in dem sich ein Metall befindet (fest, flüssig, gasförmig oder Plasma), nennt man somit Phase. Die Phase umfasst alle Bestandteile eines Stoffs, die homogen sind – also (näherungsweise) gleiche chemische und physikalische Eigenschaften besitzen:

• Schmelzen (Übergang von fest zu flüssig)

• Erstarren, auch Gefrieren oder Kristallisieren (Übergang von flüssig zu fest)

• Verdampfen (Übergang von flüssig zu gasförmig)

• Kondensieren (Übergang von gasförmig zu flüssig)

• Sublimieren (Übergang von fest zu gasförmig)

• Resublimation (Übergang von gasförmig zu fest)

Den Grundmechanismus der martensitischen Phasenumwandlung als fest zu fest Phasenübergang bildet ein diffusionsloser, reversibler Übergang. Dabei geht die Hochtemperaturphase (Austenit) in die Tieftemperaturphase (Martensit) über. Aufgrund der unterschiedlichen Geometrie der Gitter der beiden Phasen entstehen bei der Umwandlung innere Spannungen im Werkstoff.

Die Besonderheit an FGL ist, dass der Abbau dieser Spannungen fast ausschließlich über die Bildung von Zwillingsgrenzen geschieht. Es bildet sich stark “verzwillingter” Martensit.

Durch das Aufbringen einer Kraft können die Zwillingsgrenzen verschoben werden – der Martensit “entzwillingt”. Dies geschieht über Umklappvorgänge und führt zu sehr hohen reversiblen Verformungen. Werte von 8-10 % sind dabei typisch für FGL und führen so zu ausgezeichneten Aktorwerkstoffen.

Formgedächtnislegierungen (FGL) auf Basis von Nickel und Titan, auch Nitinol benannt, zeichnen sich durch unterschiedliche Eigenschaften aus, welche NiTi-FGL in vielseitiger Bereiche implementiert werden können. Nitinol zeichnet sich durch eine gute Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität aus. Das Material erzielt Festigkeiten von über 1200 MPa und reicht damit an die der meisten Stähle heran. Um die verschiedenen Formgedächtniseffekte sinnvoll technisch nutzen zu können, muss die Anwendung in einem Temperaturintervall erfolgen, welches durch die Umwandlungstemperaturen festgelegt wird. Für Nitinol-Formgedächtnislegierungen liegt dies in einem Bereich von etwa -50 bis +100 °C.

In diesem Temperaturbereich kann die Phasenumwandlungstemperatur, also die Aktivierungstemperatur für das Formgedächtnis, nach aktuellen Laborversuchen auf etwa ein Grad genau eingestellt werden. Aus diesem Grund ist neben der Bestimmung der chemischen Zusammensetzung die Ermittlung der Phasenumwandlungstemperaturen die wichtigste Methode zur Charakterisierung der funktionellen Eigenschaften. Als Festkörperaktor betragen die erreichbaren Dehnungen bis zu 5%. Dabei entstehen nutzbare Kräfte bis zu 150N pro mm2 Aktorquerschnitt.