Ingenieure entwickeln eine neue Form

Sep 27, 2023

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Formgedächtnismetalle, die einfach durch Erwärmung oder anderweitige Auslösung von einer Form in eine andere zurückkehren können, haben sich in einer Vielzahl von Anwendungen als Aktuatoren bewährt, die die Bewegung verschiedener Geräte steuern können. Nun könnte die Entdeckung einer neuen Kategorie von Formgedächtnismaterialien, die aus Keramik statt aus Metall bestehen, ein neues Anwendungsspektrum eröffnen, insbesondere für Hochtemperaturumgebungen, wie etwa Aktuatoren in einem Düsentriebwerk oder einem Tiefbohrloch.

Die neuen Erkenntnisse wurden heute in der Zeitschrift Nature in einem Artikel des ehemaligen Doktoranden Edward Pang PhD '21 und der Professoren Gregory Olson und Christopher Schuh, alle vom Department of Materials Science and Engineering des MIT, veröffentlicht.

Formgedächtnismaterialien, erklärt Schuh, haben zwei unterschiedliche Formen und können zwischen ihnen hin und her wechseln. Sie können leicht durch Temperatur, mechanische Belastung oder elektrische oder magnetische Felder dazu gebracht werden, ihre Form auf eine Weise zu ändern, die Kraft ausübt, sagt er.

„Sie sind interessante Materialien, weil sie so etwas wie ein Festkörperkolben sind“, sagt er – mit anderen Worten, ein Gerät, das gegen etwas drücken kann. Aber während ein Kolben aus vielen Teilen besteht, ist ein „Formgedächtnismaterial“ ein Festkörpermaterial, das all das kann. Es braucht kein System. Es braucht nicht viele Teile. Es ist nur ein Material, und es ändert spontan seine Form. Es kann funktionieren. Daher ist es als „intelligentes Material“ interessant“, sagt er.

Formgedächtnismetalle werden seit langem als einfache Aktoren in einer Vielzahl von Geräten verwendet, sind jedoch durch die erreichbaren Betriebstemperaturen der verwendeten Metalle begrenzt, die in der Regel höchstens einige hundert Grad Celsius betragen. Keramik hält viel höheren Temperaturen stand, teilweise bis zu mehreren Tausend Grad, ist aber für ihre Sprödigkeit bekannt. Jetzt hat das MIT-Team einen Weg gefunden, dieses Problem zu überwinden und ein Keramikmaterial herzustellen, das sich ohne Anhäufung von Schäden bewegen lässt und es so ermöglicht, über viele Nutzungszyklen hinweg zuverlässig als Formgedächtnismaterial zu funktionieren.

„Die Formgedächtnismaterialien, die es auf der Welt gibt, bestehen alle aus Metall“, sagt Schuh. „Wenn man die Form eines Materials auf atomarer Ebene ändert, kann eine ganze Menge Schaden entstehen. Atome müssen sich neu formieren und ihre Struktur ändern Falsche Stellen führen zu Defekten und beschädigen das Material, was zur Ermüdung und schließlich zum Auseinanderfallen führt.“

Er fügt hinzu: „Am Ende erhält man Materialien, die sich ein paar Mal verformen können, sich dann aber irgendwann zersetzen und auseinanderfallen können. Und weil Metalle so duktil sind, sind sie etwas widerstandsfähiger gegen Beschädigungen, und deshalb hat sich das Feld wirklich konzentriert.“ auf Metallen, denn wenn ein Metall im Inneren beschädigt ist, kann es das tolerieren.“

Im Gegensatz dazu verträgt Keramik Beschädigungen überhaupt nicht und verbiegt sich normalerweise nicht, sondern bricht. Zirkonoxid verfügt bekanntermaßen über eine Formgedächtniseigenschaft, es kommt jedoch während eines Formgedächtniszyklus sehr leicht zu Schäden – eine Eigenschaft, die sich als hohe Hysterese ausdrückt. „Was wir mit dieser Arbeit machen wollten, war, eine neue Keramik zu entwerfen und gezielt auf diese Hysterese einzugehen. Wir wollten eine Keramik entwerfen, bei der die [Form-]Veränderung irgendwie immer noch gigantisch ist: Wir wollen viel Arbeit leisten. Aber intern, bei Auf der atomaren Skala ist es sanfter.

Schuh erklärt, dass Pang, der die Arbeit leitete, „alle modernen Werkzeuge der Wissenschaft nutzte, alles, was man nennen kann – computergestützte Thermodynamik, Phasentransformationsphysik, kristallographische Berechnungen, maschinelles Lernen – und er alle diese Werkzeuge auf völlig neue Weise zusammenfügte.“ " um das Problem der Herstellung eines solchen Materials zu lösen.

Das Ergebnis war eine neue Variante von Zirkonoxid. „Im Grunde handelt es sich um Zirkonoxid“, sagt Schuh. „Es sieht aus, riecht und schmeckt genauso wie Zirkonoxid, das die Leute bereits kennen und verwenden, auch wie Kubikzirkonia in Schmuck.“ Es wurden jedoch einige Atome verschiedener Elemente in seine Struktur eingeführt, wodurch einige seiner Eigenschaften verändert wurden. Diese Elemente „lösen sich im Gitter auf, formen es und verändern diese Transformation, sie machen sie auf atomarer Ebene sanfter.“

Die Hysterese habe sich so dramatisch verändert, dass sie nun der von Metallen ähnele, sagt Schuh. „Das war eine riesige, riesige Veränderung – wir reden hier von einem Faktor 10.“ Und die Verformung, die das Material erreichen kann, beträgt etwa 10 Prozent, was bedeutet, dass ein Stab aus diesem Material beim Auslösen um 10 Prozent länger werden könnte – genug, um erhebliche Arbeit zu leisten.

Eine häufige Anwendung von Formgedächtnismaterialien sind Überdruckventile. Wenn ein Tank mit etwas eine bestimmte kritische Temperatur überschreitet, wird das Ventil durch diese Hitze ausgelöst und öffnet sich automatisch, um den Druck zu entlasten und eine Explosion zu verhindern. Das neue Keramikmaterial könnte diese Fähigkeit nun auf weitaus höhere Temperaturen ausdehnen, als die derzeitigen Materialien bewältigen könnten.

Beispielsweise könnten Aktuatoren, die den Luftstrom in einem Düsentriebwerk steuern, eine nützliche Anwendung sein, sagt Pang. Obwohl die gesamte Umgebung dort heiß ist, werden verschiedene Kanäle des Luftstroms gesteuert, sodass diese Ströme verwendet werden könnten, um eine Formgedächtniskeramik auszulösen, indem je nach Bedarf kühlere oder heißere Luft auf das Gerät geleitet wird.

Heutzutage seien Formgedächtniskeramiken „eine Art Laborkuriosität“, weil sie nach ein paar Zyklen auseinanderfallen, sagt Schuh. „Dies ist ein Schritt in die Richtung, etwas zu schaffen, das viele, viele Male im Einsatz reproduzierbar und zuverlässig funktionieren kann.“

Das Team plant, das Material weiter zu erforschen, Wege zu finden, es in größeren Mengen und komplexeren Formen herzustellen und seine Fähigkeit zu testen, vielen Transformationszyklen standzuhalten.

Was ihn an diesem Projekt zunächst gereizt habe, sagt Schuh, sei das Potenzial für breite Anwendungsmöglichkeiten. „Es gibt Dinge, die wir mit komplexen mechanischen Systemen machen, die aus vielen Teilen und Baugruppen bestehen, und die Idee, dass man ein kompliziertes Paket von Dingen durch ein einziges Material ersetzen kann, das über die Funktionalität auf atomarer Ebene verfügt – das finde ich attraktiv.“ weil es große, komplizierte Dinge in kleine, einfache Dinge verwandelt. In gewisser Weise ist es so, als würde man Vakuumröhren durch Transistoren ersetzen.“

Während es schwierig ist, die Bereiche vorherzusagen, in denen dieses Material seine ersten praktischen Anwendungen finden wird, sagt Schuh, dass es beispielsweise „sehr schwierig ist, einen hydraulischen Kolben zu verkleinern. Es ist schwierig, das im Mikromaßstab zu machen.“ Aber jetzt „die Idee, dass es eine Festkörperversion davon in sehr kleinen Maßstäben gibt – ich hatte immer das Gefühl, dass es viele Anwendungen für Bewegungen im Mikromaßstab gibt. Mikroroboter an kleinen Orten, Lab-on-a-Chip-Ventile, Viele kleine Dinge, die betätigt werden müssen, könnten von solchen intelligenten Materialien profitieren.“

Diese Forscher „zeigen, wie materialwissenschaftliches Wissen, fundierte Designprinzipien und kreatives Denken kombiniert werden können, um Materialien zu entdecken, die sonst als unmöglich gelten würden“, sagt Raymundo Arroyave, Professor für Materialwissenschaften und -technik an der Texas A&M University, der es nicht war mit dieser Arbeit verbunden. Diese Arbeit, sagt er, „ist eine schöne Demonstration der Kraft fundierten ‚materialwissenschaftlichen Denkens‘, die auf bewährten Materialdesignprinzipien basiert, um zu zeigen, dass Formgedächtniskeramik Eigenschaften haben kann, die einigen der besten ihrer metallischen Eigenschaften nahe kommen.“ Gegenstücke.“

Die Arbeit wurde vom US Army Research Office, teilweise vom Institute for Soldier Nanotechnologies des MIT, und von der US National Science Foundation unterstützt.

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