Stellen Sie sich ein Material vor, das seine Form beibehält, auch wenn es verdreht, gebogen oder gedehnt wird. Formgedächtnislegierungen (Shape Memory Alloys, SMAs) tun genau das und verändern die Technik in verschiedenen Bereichen. In diesem Artikel wird untersucht, wie SMAs Abwärme in mechanische Energie umwandeln, medizinische Geräte verbessern und Alltagsprodukte wie Haushaltsgeräte optimieren. Tauchen Sie ein, um die revolutionären Auswirkungen von SMAs zu verstehen und ihre bemerkenswerten Anwendungen in der modernen Technologie zu entdecken.
Die Energieentwicklung ist ein wichtiger Anwendungsbereich für Formgedächtnislegierungen. Unter Ausnutzung der Eigenschaft von Formgedächtnislegierungen, ihre Form während des Erhitzens und Abkühlens zu ändern, kann geringwertige thermische Energie wie Abwärme, Erdwärme und Sonnenenergie direkt in mechanische Energie umgewandelt und genutzt werden.
Auf der Grundlage dieses Prinzips wurde eine Vielzahl von Wärmekraftmaschinen entwickelt, die die Miniaturisierung und Mobilität von Wärmekraftmaschinen beschleunigt haben.
In den letzten Jahren haben Forscher weltweit Materialien mit Gedächtnisfunktion entwickelt, vor allem mit Formgedächtnis, Temperaturgedächtnis und Farbgedächtnis. Unter ihnen ist die Entwicklung von Materialien mit Formgedächtnislegierungen am schnellsten.
Aufgrund der überlegenen Leistung und der breiten Anwendungsmöglichkeiten von Werkstoffen aus Formgedächtnislegierungen in Bereichen wie Kraftfahrzeuge, Robotik, Energieentwicklung, medizinische Geräte und Haushaltsgeräte sind sie zu einer der wichtigsten neue Materialien die im 21. Jahrhundert entwickelt werden sollen.
Legierungen mit Formgedächtnis waren die ersten Materialien mit Gedächtnisfunktion, die entdeckt wurden. In den frühen 1950er Jahren entdeckten Experten an der Universität von Illinois in den Vereinigten Staaten bei einem Experiment zufällig, dass Gold-Cadmium-Legierungen eine Formgedächtnisfunktion haben.
Später wurde festgestellt, dass auch Indium-Thallium-Legierungen einen ähnlichen Memory-Effekt haben, aber wegen ihrer hohen Kosten fanden sie keine Beachtung. Erst 1963 entdeckte das U.S. Naval Weapons Research Institute bei seinen Forschungen an Nickel-Titan-Legierungen zufällig, dass diese Legierungen einen signifikanten Formgedächtniseffekt haben.
Außerdem haben sie viele einzigartige Vorteile, die andere Metalle nicht haben, wie z. B. eine ausgezeichnete Superelastizität, Korrosionsbeständigkeit und Vibrationsfestigkeit. Diese Entdeckung erregte die Aufmerksamkeit der Forscher und die Forschung begann.
In den letzten Jahren sind mit der raschen Entwicklung von Wissenschaft und Technik Formgedächtnislegierungen entstanden, und es wurden mehrere Dutzend Legierungen mit Formgedächtnisfunktionen entwickelt.
Zu den wichtigsten Formgedächtnislegierungen, die derzeit in der Praxis verwendet werden, gehören Nickel-Titan-, Kupfer- und Eisen- (oder Edelstahl-) Serien.
Nickel-Titan-Legierungen gehören zu den besten und am weitesten verbreiteten Werkstoffen für Formgedächtnislegierungen. Sie zeichnen sich durch gute Duktilität, Formgedächtnisfestigkeit, Dehnung, Korrosionsbeständigkeit, elektrischen Widerstand und Stabilität aus, sind aber auch sehr teuer.
Diese Legierungen weisen sowohl unidirektionales als auch bidirektionales Formgedächtnisverhalten auf, und der Temperaturbereich, in dem sie dieses Verhalten zeigen, kann durch Verbesserungen der Legierung erweitert oder verringert werden.
In den letzten Jahren arbeiten viele Länder an einer Reihe von verbesserten Nickel-Titan-Legierungen, indem sie andere Elemente hinzufügen, um ihre Eigenschaften weiter zu verbessern und ihre Kosten zu senken. So kann die Zugabe von Kupfer oder Vanadium, Aluminium, Chrom, Zirkonium und Spuren von Kalzium ihre Zähigkeit, Bearbeitbarkeit und Schneidbarkeit erheblich verbessern.
Darüber hinaus kann die Zugabe von Seltenen Erden, Bor, Silizium, Phosphor, Schwefel usw. zu Nickel-Titan-Kupfer-Legierungen zu Formgedächtnislegierungen mit stark verbesserten Rückstelleigenschaften führen.
Sumitomo Electric Industries in Japan stellt ästhetisch ansprechende Drähte aus Formgedächtnislegierungen her, indem es Nickel-Titan-Legierungen Kupfer (oder Aluminium, Zirkonium, Vanadium, Kobalt, Eisen) hinzufügt und den Draht danach zieht. Oberflächenbehandlungdie den dekorativen Anforderungen entsprechen.
Cantoku in Japan hat einen Draht aus einer Nickel-Titan-Legierung entwickelt, dessen Durchmesser nur halb so groß ist wie der einer Haarsträhne und der sich durch gute Verbund- und Verwebbarkeit, Elastizität und Wärmeempfindlichkeit auszeichnet. Aufgrund dieser Eigenschaften findet er breite Anwendung in Bereichen wie Autoventilen, Warmwasserbereitern, Wasserreglern, elektrischen Miniatur-Wärmereglern und BHs.
Formgedächtnislegierungen auf Kupferbasis sind billiger und leichter zu formen als Nickel-Titan-Gedächtnislegierungen und haben daher ein erhebliches Entwicklungspotenzial.
Die Festigkeit von Formgedächtnislegierungen auf Kupferbasis ist jedoch geringer als die von Nickel-Titan-Gedächtnislegierungen, und ihre Gedächtnisleistung nimmt bei wiederholter Erwärmung schnell ab.
Um die mechanischen Eigenschaften von Memory-Legierungen auf Kupferbasis zu verbessern, werden kleine Mengen von Titan, Mangan und Zirkonium hinzugefügt werden. Die leistungsfähigste und am häufigsten verwendete Formgedächtnislegierung auf Kupferbasis ist die Kupfer-Zink-Aluminium-Legierung.
Diese Legierung hat eine hohe Wärmeleitfähigkeit und reagiert empfindlich auf Temperaturschwankungen, so dass sie sich für die Herstellung wärmeempfindlicher Bauteile eignet. In Ländern wie den USA und Japan werden Kupfer-Zink-Aluminium-Legierungen in automatischen Fensteröffnern für Gewächshäuser und Gärtnereien zur Regulierung der Raumtemperatur verwendet.
Der spezifische Widerstand von Kupfer-Zink-Aluminium-Legierungen ist jedoch geringer als der von Nickel-Titan-Legierungen, so dass sie für elektrische Heizungen nicht geeignet sind. Der Zusatz von Eisen oder Silizium kann ihre Korrosionsbeständigkeit verbessern.
Ein Unternehmen in Tokio, Japan, hat erfolgreich eine Kupfer-Nickel-Aluminium-Legierung mit Farbgedächtniseffekt entwickelt. Diese Legierung wechselt bei unterschiedlichen Temperaturen von Rot zu Gold und kann in großem Umfang für die Herstellung von Kunsthandwerk, Dekorationen, Spielzeug und Haushaltsgeräten verwendet werden.
Formgedächtnislegierungen auf Eisenbasis sind kostengünstig und reichlich vorhanden, was sie wettbewerbsfähiger macht. Zu den entwickelten Formgedächtnislegierungen auf Eisenbasis gehören Eisen-Mangan-Legierungen, Eisen-Platin-Legierungen und Formgedächtnislegierungen aus Edelstahl.
Durch Zugabe von Silizium zu Manganlegierungen lassen sich Eisen-Mangan-Silizium-Legierungen mit gutem Formgedächtnis herstellen. Diese haben eine hohe Festigkeit, aber eine schlechte Korrosionsbeständigkeit.
Durch den Zusatz von Chrom kann ihre Korrosionsbeständigkeit erheblich verbessert werden. Formgedächtnislegierungen auf Eisenbasis werden heute in großem Umfang für die Herstellung von Rohrverbindungen, Nieten und anderen Verbindungselementen sowie für Vorrichtungen verwendet. Sie sind nicht nur einfach zu installieren und zu bedienen, sondern auch sicher und zuverlässig, was sie zu vielversprechenden Funktionswerkstoffen macht.
Die in Japan neu entwickelten Formgedächtnislegierungen aus rostfreiem Stahl weisen nicht nur hervorragende Rückstelleigenschaften und Korrosionsbeständigkeit auf, sondern auch eine gute Bearbeitbarkeit und Beständigkeit gegen Hochtemperaturoxidation.
Neben den Hauptbestandteilen Chrom, Mangan, Silizium und Eisen enthalten diese Legierungen auch eine gewisse Menge an Nickel oder Kobalt, Kupfer und Stickstoff.
Diese Formgedächtnislegierungen aus nichtrostendem Stahl können in herkömmlichen Stahlöfen geschmolzen und mit den üblichen Verfahren zu Endprodukten verarbeitet werden, was sie äußerst vielseitig macht.
Formgedächtnislegierungen werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften häufig in automatischen Steuergeräten, in der Robotik, in der Automobilindustrie, in der Energieentwicklung, im Gesundheitswesen und bei Konsumgütern des täglichen Bedarfs eingesetzt.
Formgedächtnislegierungen fungieren als Temperatursensoren und Betätigungselemente, was sie für die automatische Steuerung äußerst empfindlich macht. Eine der häufigsten Anwendungen dieser Legierungen sind Bremsen.
Über hundert verschiedene Arten von Formgedächtnisbremsen werden derzeit in der Automobilindustrie eingesetzt, vor allem zur Steuerung von Motoren, Getrieben und Aufhängungen, um Sicherheit, Zuverlässigkeit und Komfort zu verbessern.
Formgedächtnislegierungen werden auch in Vorrichtungen zur Geräuschvermeidung in Schaltgetrieben und in Vorrichtungen zur Steuerung des Kraftstoffverbrauchs von Motoren verwendet. Der Gedächtniseffekt und die Superelastizität dieser Legierungen können für Wegsensoren und Bremsen von Industrierobotern genutzt werden.
Die Anwendung von Bremsen aus Formgedächtnislegierungen in Robotern hat zu ermutigenden Ergebnissen geführt. Mit Federn aus Formgedächtnislegierungen und ihren Legierungsdrähten können kleine Roboter zusammengebaut werden. Durch die Steuerung der Kontraktion der Legierung können sich die Finger des Roboters öffnen, schließen und biegen.
Die Position, die Aktionen und die Geschwindigkeit des Roboters werden durch die direkte Eingabe von gepulstem Strom mit variabler Frequenz in das System gesteuert. Legierungselement. Die Formwiederherstellungskraft wird durch die Größe des Stroms gesteuert, wodurch die Bewegungen biologische Muskelbewegungen nachahmen.
Darüber hinaus ist die Energieentwicklung ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich für Formgedächtnislegierungen. Durch die Nutzung der formverändernden Eigenschaften von Formgedächtnislegierungen während des Erhitzens und Abkühlens kann minderwertige thermische Energie wie Abwärme, geothermische Energie und Sonnenenergie direkt in mechanische Energie umgewandelt und genutzt werden.
Auf der Grundlage dieses Prinzips wurde eine Vielzahl von Wärmekraftmaschinen erfolgreich entwickelt, was die Miniaturisierung und Vereinfachung von Wärmekraftmaschinen beschleunigt hat.
Die Superelastizität, Biokompatibilität und Ungiftigkeit von Formgedächtnislegierungen haben zu ihrer erfolgreichen Anwendung im medizinischen Bereich geführt.
In der Zahnmedizin können Formgedächtnislegierungen zur Herstellung künstlicher Zahnwurzeln, Zahnschienen und Zahnkronen verwendet werden. Der künstliche Zahn wird auf einem Zahnfleisch aus einer Nickel-Titan-Legierung befestigt, und darunter befinden sich doppelschichtige Wurzelblätter aus einer Legierung.
Durch einen chirurgischen Eingriff werden diese Wurzelbögen bei niedrigen Temperaturen zusammengeklemmt und in den Alveolarknochen implantiert. Unter dem Einfluss der Körpertemperatur kehren die Wurzelbögen zurück und nehmen ihre ursprüngliche Achterform an, wobei sie sich fest im Alveolarknochen verankern.
Diese künstlichen Zahnwurzeln sind korrosionsbeständig und biokompatibel und werden in der Zahnmedizin häufig verwendet.
Darüber hinaus werden Formgedächtnislegierungen auch als Zahnschienen verwendet, die denen aus rostfreiem Stahl überlegen sind. Die Superelastizität der Klammer aus einer Memory-Legierung kann ihre Elastizität über einen langen Zeitraum aufrechterhalten, so dass ein Austausch aufgrund einer elastischen Entspannung nicht erforderlich ist.
Diese Langzeitelastizität kann die Behandlungsdauer verkürzen. Formgedächtnislegierungen werden auch für die Herstellung von Zahnkronen verwendet, die sich automatisch an die Entwicklung der Zähne von Kindern anpassen können, wodurch die Beschwerden und Schmerzen beim Tragen von Zahnkronen verringert werden.
Medizinische Geräte für Gefäßerkrankungen aus Nickel-Titan-Formgedächtnis-Legierungen haben viele Vorteile.
So kann beispielsweise ein Messer zur Entfernung von Gefäßembolien aus einer Formgedächtnislegierung bei niedriger Temperatur so bearbeitet werden, dass es eine zylindrische Form erhält.
Wenn die Messerklinge in die Blutgefäße des Patienten eingeführt und auf Körpertemperatur erwärmt wird, flacht sie sich aufgrund des Formgedächtniseffekts automatisch ab, und durch Drehen können Gefäßembolien oder Ablagerungen entfernt werden.
Medizinische Experten haben auch erfolgreich Operationen zur Entfernung von Hirnaneurysmen mit einer Klammer durchgeführt, die aus einer Kombination von Drähten aus einer Formgedächtnislegierung und Silberdrähten besteht.
Formgedächtnislegierungen werden auch häufig in Haushaltsgeräten wie Heizgeräten, Klimaanlagen und Reiskochern verwendet.
Die Sharp Corporation in Japan verwendet Komponenten aus Formgedächtnislegierungen, um die Umwandlung zwischen Mikrowellenerwärmung und Konvektionserwärmung in Lebensmittelerhitzern zu steuern, wodurch das Volumen und das Gewicht der Erhitzer erheblich reduziert und die Kosten um zwei Drittel gesenkt werden.
Die Panasonic Corporation verwendet Formgedächtnislegierungen für die Herstellung von Klimaanlagen mit doppeltem Verwendungszweck und Windrichtungsumkehrvorrichtung.
Die Windrichtung ändert sich empfindlich: Wenn die Windtemperatur zwischen 32-37°C liegt, weht sie nach unten; wenn die Windtemperatur auf 25-32°C sinkt, wechselt sie automatisch in die Horizontale.
Dieses Gerät ist stabil, leicht, kostengünstig und geräuschlos, wenn sich die Windtür öffnet, was es bei den Benutzern beliebt macht. Formgedächtnislegierungen werden auch häufig zur Herstellung von Thermostaten für elektrische Reiskocher verwendet.
Wenn die Temperatur ansteigt, öffnet er automatisch den Stromkreis und unterbricht ihn. Wenn die Temperatur auf einen bestimmten Wert sinkt, schaltet er die Stromversorgung wieder ein und hält die Temperatur automatisch aufrecht.
In den letzten Jahren haben "Gedächtnis"-Produkte aus verschiedenen Formgedächtnislegierungen den Markt erobert, und immer mehr dieser "Gedächtnis"-Gegenstände halten Einzug in den Alltag. Die Anwendung von Formgedächtnislegierungen schreitet weiter in Richtung Kommerzialisierung voran.
Ein "Memory"-BH, der von einem japanischen Unternehmen für Alltagsprodukte hergestellt wurde, fand bei den Frauen sofort nach seiner Markteinführung großen Anklang. Dieser BH besteht aus einem dünnen und weichen Draht aus einer Nickel-Titan-Formgedächtnislegierung, der leichter, weicher, elastischer und bequemer ist als herkömmliche BHs.
Sein größter Vorteil ist, dass er durch die Wahrnehmung der Körpertemperatur in seine ursprüngliche Form zurückkehren kann, selbst wenn er sich nach dem Waschen verformt.
Furukawa Electric Co., Ltd. in Japan stellt Brillengestelle aus Formgedächtnislegierungen her, die ihre Form ändern können, wenn sich das Glas ausdehnt und zusammenzieht, und dabei eine feste Verbindung mit dem Glas aufrechterhalten. Das Unternehmen stellt auch Puppen her, die dank der einzigartigen Eigenschaften von Formgedächtnislegierungen ihre Frisur ändern können.
Die Haare der Puppe bestehen aus einer Formgedächtnislegierung auf Kupferbasis, und die Frisur kann sich bei Temperaturschwankungen verändern, was sie bei Kindern sehr beliebt macht.
Ein japanischer Schuhhersteller hat die weltweit ersten Lederschuhe aus Formgedächtnislegierungen vorgestellt, die nicht nur weich und bequem sind, sondern auch wirksam verhindern, dass sich die Schuhe verformen.
Die Energieentwicklung ist ein wichtiger Anwendungsbereich für Formgedächtnislegierungen. Unter Ausnutzung der Eigenschaft von Formgedächtnislegierungen, ihre Form bei Erwärmung und Abkühlung zu verändern, kann minderwertige thermische Energie wie Abwärme, geothermische Energie und Sonnenenergie direkt in mechanische Energie umgewandelt und genutzt werden.
Auf der Grundlage dieses Prinzips wurden zahlreiche Wärmekraftmaschinen erfolgreich entwickelt, was die Miniaturisierung und Mobilität von Wärmekraftmaschinen beschleunigte.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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