Ingenieure entwickeln neue Form

Oct 06, 2023

Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA

Die Entdeckung einer neuen Kategorie von Formgedächtnismaterialien – Keramik im Gegensatz zu Metall – könnte ein neues Anwendungsspektrum eröffnen, insbesondere für Hochtemperaturumgebungen, beispielsweise Aktuatoren in einem Düsentriebwerk.

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

„Sie sind interessante Materialien, weil sie so etwas wie ein Festkörperkolben sind“, sagte Professor Christopher Schuh, Professor am Department of Materials Science and Engineering des MIT. Anders ausgedrückt: Sie sind ein Gerät, das gegen etwas drücken kann.

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“, fügte er hinzu.

Formgedächtnismetalle werden seit langem als einfache Aktuatoren in einer Vielzahl von Geräten verwendet, sind jedoch durch die erreichbaren Betriebstemperaturen der verwendeten Metalle begrenzt – normalerweise höchstens einige hundert Grad Celsius.

Keramik hält viel höheren Temperaturen stand, manchmal bis zu mehreren Tausend Grad, als Formgedächtnismetalle, ist aber spröde. Ein Team am MIT hat einen Weg gefunden, ein Keramikmaterial herzustellen, das sich ohne Anhäufung von Schäden betätigen 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“, sagte 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 verursachen Defekte und beschädigen das Material, was zu Ermüdung und schließlich zum Auseinanderfallen führt.

„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 Fachgebiet wirklich auf Metalle konzentriert.“ Denn wenn ein Metall im Inneren beschädigt wird, verträgt es das“, ergänzt Schuh.

Das Team wollte eine neue Keramik entwerfen und gezielt auf diese Hysterese abzielen. „Wir wollten eine Keramik entwerfen, bei der die [Form-]Transformation irgendwie immer noch gigantisch ist: Wir wollen viel Arbeit leisten. Aber im Inneren, auf atomarer Ebene, ist es sanfter“, sagte er.

Schuh erklärte, dass das Team „alle modernen Werkzeuge der Wissenschaft genutzt hat, alles, was man nennen kann – Computerthermodynamik, Phasenumwandlungsphysik, kristallographische Berechnungen, maschinelles Lernen – und er alle diese Werkzeuge auf völlig neue Weise zusammengestellt hat“, um dieses Problem zu lösen .

Das Ergebnis war eine neue Variante von Zirkonoxid, in dessen Struktur jedoch einige Atome verschiedener Elemente auf eine Weise eingeführt wurden, die einige seiner Eigenschaften veränderte. Die Elemente „lösen sich im Gitter auf und formen es, und sie verändern diese Transformation, sie machen sie auf atomarer Ebene sanfter.“

Die Hysterese habe sich so dramatisch verändert, dass sie nun der von Metallen ähnele, sagte Schuh. Und die Verformung, die das Material erreichen kann, beträgt etwa 10 Prozent.

Aktuatoren, die den Luftstrom innerhalb eines Strahltriebwerks lenken, könnten eine nützliche Anwendung sein, stellte das Team fest. Während die Gesamtumgebung heiß ist, werden verschiedene Kanäle des Luftstroms gesteuert, sodass diese Ströme zum Auslösen einer Formgedächtniskeramik verwendet werden könnten.

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

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Abby Abazorius unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.; 617-253-2709.

Dieser Artikel erschien erstmals in der Februarausgabe 2023 des Tech Briefs Magazine.

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