Formgedächtniseigenschaften von Drähten und Dünnen Schichten

Forschungsprojekt P 14221Formgedächtniseigenschaften von Drähten und Dünnen SchichtenAlbert C. KNEISSL 24.01.2000 Formgedächtnislegierungen wurden in den letzten Jahrzehnten mit großem Erfolg vorwiegend in der Medizintechnik und der Befestigungstechnik eingesetzt. Die Grundlage zur Anpassung der funktionellen Eigenschaften durch thermomechanische Behandlung des Werkstoffes wurde gut aufbereitet, so daß verschiedene Funktionen wie gezielte Formänderungen oder die Erzeugung definierter Kräfte mit großer Genauigkeit und hoher Zuverlässigkeit von Formgedächtniselementen in aktuellen Anwendungen ausgeführt werden. Ein neues, vielversprechendes Feld für den Einsatz von Formgedächtnislegierungen ist die Aktorik, Da dieser funktionelle Werkstoff die Konstruktion sehr einfach aufgebauter Bauteile erlaubt, die die Eigenschaften eines Sensors und Aktors in einem Element vereinigen, ist er insbesonders für die Entwicklung von Mikroaktoren geeignet. Auch als integrierte Bauteile in intelligenten Strukturen wecken kleine Formgedächtniselemente zusehends Interesse. Es ist offensichtlich, daß im Gegensatz zu den bereits etablierten Anwendungen von Formgedächtnislegierungen für die gegenwärtige Entwicklung von Formgedächtniselementen eine zyklische Nutzung des Effektes im Mittelpunkt steht. Dies erfordert daß die funktionellen Eigenschaften auch bei vielfacher Nutzung innerhalb enger Toleranzen eingestellt werden können. Das beantragte Forschungsprojekt stellt eine systematische Untersuchung der funktionellen Ermüdung von NiTi- Formgedächtnislegierungen mit unterschiedlicher Mikrostruktur dar, mit dem Ziel, ,die Grundlage zu schaffen für die Entwicklung von Formgedächtniselementen mit einer für technische Anwendungen ausreichenden Stabilität der funktionellen Eigenschaften. Die Untersuchungen werden sowohl an Drahtproben als auch an gesputterten dünnen Schichten , durchgeführt, um den Einfluß der Bauteilgröße auf die Ermüdungseigenschaften zu erfassen. Verschiedene Arten der zyklischen Nutzung des Formgedächtniseffekts werden untersucht, einschließlich des aufgrund seiner mikrostrukturellen Grundlage instabilen intrinsischen Zweiwegeffektes, der jedoch bei der Miniaturisierung der Bauteile sehr vorteilhaft eingesetzt werden könnte. Die Maßnahmen zur Verbesserung des Ermüdungverhaltens zielen darauf ab, den positiven Einfluß zu nutzen, den eine Erhöhung der Intensität des inneren Spannungsfeldes auf die Stabilität hat, ohne dabei das Formgedächtnispotential bedeutend zu verringern. Der Einfluß und die Wirkung von Ausscheidungen und Dispersoiden in binären und ternären Legierungen basierend auf NiTi wird vor diesem Hintergrund untersucht.

Formgedächtniseffekte stellen sehr interessante funktionale Eigenschaften in bestimmten Legierungssystemen wie z.B. NiTi, CuZnAl oder CuAlNi dar. Nach beträchtlicher scheinbar plastischer Verformung bei niedriger Temperatur können derartige Bauteile ihre ursprüngliche Form durch Erwärmen um etwa 50-100C wiederherstellen und erinnern sich somit scheinbar an ihre frühere Form, daher nennt man dieses Phänomen Formgedächtnis. Die Ursachen dafür sind reversible martensitische Umwandlungen von einer geordneten Phase in eine andere geordnete Phase mit sehr ähnlichem spezifischen Volumen. Dieser sogenannte Einwegformgedächtniseffekt wurde bereits umfangreich wissenschaftlich erforscht, wird heutzutage ausgezeichnet verstanden und weist daher bereits viele interessante technische und medizinische Anwendungen auf. Beim sogenannten Zweiweg-formgedächtniseffekt ändert sich die Form eines Bauteils nicht nur beim Erwärmen sondern auch beim Abkühlen ohne das Vorliegen äußerer Kräfte. Daher würde dieser Effekt noch interessanter sein für technische und teilweise auch medizinische Anwendungen, aber er wird einerseits wissenschaftlich noch nicht so gut verstanden, und andererseits ist er deutlich kleiner und weniger stabil als der Einwegeffekt. Im Rahmen dieses Projektes gelang es, Zweiwegeffekte an NiTi-, NiTiW- und CuAlNi-Legierungen zu erzeugen, deren Beständigkeit und Stabilität bis zu 10.000 Erwärmungs-/Abkühlungszyklen überprüft wurde. Es konnte wissenschaftlich gezeigt werden, unter welchen Bedingungen einerseits große Effekte entstehen und andererseits diese Effekte stabil genug sind für künftige technische Problemlösungen. Diese Untersuchungen wurden an Drahtmaterial von einigen mm Durchmesser durchgeführt. Im Hinblick auf interessante mögliche Anwendungen als Mikrosensoren und Mikroaktoren benötigt man allerdings Formgedächtnisbauteile in wesentlich kleineren Dimensionen. Da CuAlNi-Legierungen von den gängigen Materialien die höchsten Umwandlungstemperaturen und daher auch die höchsten Schalttemperaturen aufweisen, wurden gezielt dünne Filme derartiger Legierungen durch PVD (physikalische Dampfabscheidung) hergestellt. Dies war wissenschaftlich sehr erfolgreich, allerdings ist es an diesen extrem kleinen Proben äußerst schwierig, Zweiwegeffekte einzutrainieren und die Stabilität zu optimieren. Daher wurde ein anderer Weg erfolgreich beschritten, nämlich die Erzeugung dünner Bänder (einige Meter lang, einige mm breit, Dicke 50-100m) durch ein Schmelzspinnverfahren. Diese dünnen Bänder weisen Einweg- und Zweiwegeffekte auf, deren Größe und Beständigkeit im Hinblick auf technische Langzeitanwendungen als Mikroaktuatoren noch durch vertiefte wissenschaftliche Erkenntnisse optimiert werden muss.