Die Grenze zwischen Formgedächtnis und Superelastizität: Woher kommt das „Gedächtnis“ der Legierung?

Welche Funken entstehen, wenn immaterielles Kulturerbe auf neue Technologien trifft? Vor Kurzem starteten die China Media Group und das Ministerium für Kultur und Tourismus gemeinsam ein Fernsehprogramm mit dem Titel „China im immateriellen Kulturerbe“, in dem die erste dynamische interaktive Suzhou-Stickerei des Landes zum Thema „immaterielles Kulturerbe + Technologie“ präsentiert wurde, was erfrischend war. Mithilfe von Formgedächtnismaterialien und Temperatursensor-Interaktionstechnologien kann eine leichte Berührung der Stickerei mit den Fingerspitzen dazu führen, dass der Schmetterling mit den Flügeln schlägt und die Blütenblätter sich entfalten. Das Formgedächtnismaterial verleiht der exquisiten Stickerei viel Charme. Warum also erzeugen Formgedächtnismaterialien solche magischen Phänomene?

Unter Formgedächtnislegierungen versteht man einen neuen Typ von metallischem Funktionsmaterial, das eine bestimmte Ausgangsform hat und nach der Formgebung bei niedrigen Temperaturen unter Einwirkung von Wärme, Licht und Elektrizität seine ursprüngliche Form wiederherstellen kann. Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen sind ein aufsteigender Stern unter den neuen Funktionsmaterialien. Es handelt sich um eine binäre Legierung aus Nickel und Titan. Seine einzigartige Eigenschaft ist der Formgedächtniseffekt. Darüber hinaus verfügt es über Superelastizität, gute Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität.

Warum haben Legierungen einen Formgedächtniseffekt? Dies muss mit der Kristallstruktur beginnen. Der Formgedächtniseffekt beruht auf dem Vorhandensein zweier unterschiedlicher Kristallstrukturphasen. Die meisten Legierungen mit Formgedächtniseffekt unterliegen einer thermoelastischen martensitischen Umwandlung. Nach der martensitischen Umwandlung lässt die Legierung viel Raum für plastische Verformung. Beim Erhitzen der Legierung über die Endtemperatur wandelt sich der Niedertemperatur-Martensit in Hochtemperatur-Austenit um und kehrt automatisch in seinen Ausgangszustand zurück. Dabei handelt es sich eigentlich um einen durch Wärme hervorgerufenen Phasenwechselprozess. Es ist wichtig zu beachten, dass der Austenitzustand der Zustand ist, wenn die Last entfernt wird und eine kubische Struktur aufweist, während der Martensitzustand der Zustand ist, wenn die Last vorhanden ist und eine hexagonale Struktur aufweist. Beim Deformationsprozess diffundieren die Atome nicht, es verändert sich lediglich die Kristallstruktur.

Um die Verformung der Nickel-Titan-Legierung für die Ausführung externer Arbeiten voll auszunutzen, erfand man den Motor aus einer Nickel-Titan-Legierung. Im Gegensatz zu herkömmlichen Motoren unterliegen Motoren aus Nickel-Titan-Legierungen nicht den Einschränkungen herkömmlicher Energieträger. Sie verlassen sich lediglich auf die Ausdehnung und Kontraktion des U-förmigen Riemens aus Nickel-Titan-Legierung in heißem und kaltem Wasser, um die Räder zum Drehen anzutreiben und so die Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie zu realisieren. Das Aufkommen der Nickel-Titan-Legierung hat uns eine neue Richtung bei der Suche nach neuer Energie aufgezeigt.

Neben der Arbeit verwendete das Forschungsteam der Universität des Saarlandes in Deutschland auch Nickel-Titan-Legierungen zur Herstellung künstlicher Muskelaktuatoren. Dies ist eine weitere Anwendungsebene des Formgedächtniseffekts einer Nickel-Titan-Legierung. Das Forschungsteam schuf feine „Muskelfasern“, die aus Bündeln ultradünner Drähte aus einer Nickel-Titan-Legierung bestehen. Wenn ein elektrischer Strom durch einen Draht aus einer Nickel-Titan-Legierung fließt, erhitzt sich das Material und die Kristallstruktur erfährt einen Phasenwechsel, wodurch der Draht kürzer wird. Wenn der Strom unterbrochen wird, kühlt der Stromkreis ab und nimmt wieder seine ursprüngliche Länge an. Zur Verbindung der mechanischen Fingergelenke werden mehrere Stränge aus Legierungsdraht verwendet, um Muskelfasern zu simulieren und Muskelgruppen zu bilden, die den vorderen Beugemuskeln und hinteren Streckern der Finger ähneln, um präzisere Bewegungen ausführen zu können.

Superelastizität bedeutet, dass die Testprobe unter Einwirkung einer äußeren Last eine Dehnung erzeugen kann, die weit über der Elastizitätsgrenze herkömmlicher Materialien liegt. Nach dem Entlasten der äußeren Belastung kann sich die Verformung der Probe automatisch erholen. Die Elastizitätsgrenze einer Nickel-Titan-Legierung ist viel höher als die gewöhnlicher Materialien und sie unterliegt nicht mehr dem Hookeschen Gesetz. Innerhalb eines bestimmten Verformungsbereichs weist die Spannung einen nichtlinearen Zusammenhang auf. Mithilfe der Superelastizität können kleine, exquisite, hochautomatisierte und zuverlässige Komponenten hergestellt werden, wie etwa superelastische selbstexpandierende Stents, die in der Medizin weit verbreitet sind, und Korrekturbögen, die bei Bewegung in Korrekturrichtung nicht allmählich an Festigkeit verlieren.

Eine weitere Stärke der Nickel-Titan-Memory-Legierung ist ihre Korrosionsbeständigkeit. Nachdem die Oberfläche der Nickel-Titan-Gedächtnislegierung oxidiert ist, bildet sich ein Titandioxidoxidfilm, der die Stabilität der Legierungsoberflächenschicht erhöhen kann. Aufgrund der chemischen Inertheit von Nickel und Titan bildet die Nickel-Titan-Legierung leicht eine dichte Oxidschicht mit einer Dicke von 2–20 Nanometern. Während der Implantation wächst diese Oxidschicht und absorbiert Mineralien und andere Bestandteile biologischer Flüssigkeiten, was zu einer Umgestaltung der Oberfläche führt und ihre Korrosionsbeständigkeit wiederum verstärkt.

Aufgrund dieser Eigenschaften finden minimalinvasive medizinische Geräte wie Speiseröhrenverschluss, Verschluss, Vena-Cava-Filter usw. aus Nickel-Titan-Legierungen im Leben der Menschen breite Anwendung. Es wurden neue temperaturgesteuerte Ureterstents aus einer Nickel-Titan-Memory-Legierung hergestellt und in der medizinischen Chirurgie eingesetzt. Dabei handelt es sich um eine Spiralklammer, die sich bei Erwärmung ausdehnt und bei Abkühlung weicher wird. Nach der Stentimplantation dehnte sich der Stent aus einer Nickel-Titan-Memory-Legierung in 65 °C heißem Wasser erfolgreich aus und verankerte sich im engen Bereich, wodurch der Harnleiter wieder frei wurde, was dem Patienten gute Nachrichten brachte.

Als Formgedächtnismaterial mit guter Gesamtleistung hat die Nickel-Titan-Legierung seit langem höchste Priorität in der Forschung zu Formgedächtnislegierungen. Von herkömmlichen Mikrokristallen bis hin zu Nanokristallen und amorphen Zuständen halten Nickel-Titan-Formgedächtnislegierungen mit der Zeit Schritt und stehen an der Spitze der Entwicklung. Gleichzeitig entstand eine große Zahl von Nickel-Titan-Legierungen mit neuartigen Strukturen, wie etwa Kapillaren aus Nickel-Titan-Legierungen und massive nanokristalline Nickel-Titan-Legierungen. In der Zukunft wird die Entwicklungsrichtung auf den Einsatz digitaler dreidimensionaler Rekonstruktionstechnologien oder anderer neuer technischer Mittel ausgerichtet sein, um eine sorgfältige und präzise Verarbeitung von Nickel-Titan-Legierungen durchzuführen.

(Der erste Autor ist Professor und Doktorvater an der Northwest Normal University, und der zweite Autor ist Doktorand an der Northwest Normal University.)