Der Gedächtnis-Effekt des Nitinol und der anderen Memory-Legierungen beruht auf einer speziellen Umwandlung der kristallinen Struktur. Bei dieser Martensitumwandlung ändern viele Atome aufeinander abgestimmt ihre Anordnung, wobei die meisten Atome ihre Nachbarn behalten. Wird nun ein Nitinol-Draht bei niedriger Temperatur durch Zugbelastung über seine normale Elastizitätsgrenze hinaus gedehnt, klappen bestimmte kristalline Strukturen in eine andere Lage. Wird der Draht entlastet, bleibt mit der neuen Kristallstruktur eine gewisse Restdehnung erhalten. Der Draht ist verlängert. Erhitzt man den Draht, ordnen sich seine Atome erneut um, es bildet sich der so genannte Austenit. Der Draht verkürzt sich dabei. Äußerlich scheint er wieder im Anfangszustand zu sein, jedoch seine kristalline Struktur ist anders. Erst wenn der Draht sich abkühlt, bildet sich die ursprüngliche Martensit-Struktur zurück. Der Kreislauf kann erneut beginnen.
Anwendungen des Nitinoldrahts
- Aktor, Auslöser, Verriegelung
- Stellglied
- Hitzesensor
- Dehnungssensor (größerer Aufwand)
- Wärmekraftmaschine
Vorteile
- leicht
- lautlos
- platzsparend
- erzeugt viel Kraft bei kleinem Materialvolumen
- kaum elektromagnetische Ausstrahlungen
- korrosionsbeständig
- einfach elektrisch anzusteuern
- aktivierbar durch inneren Stromfluss sowie durch äußere Wärmequelle
- Formgedächtnis ist thermomechanisch prägbar
Nachteile
- Kühlphase ist nötig
- kleiner Arbeitsweg (kann durch entsprechende Mechanik wesentlich vergrößert werden)
Arbeitskreislauf des Nitinol-Drahts
In der Grafik ist die Temperatur des Drahts gegen seine Länge aufgetragen. Die angegebenen Temperaturen können je nach Drahttyp variieren. Entlang des Pfades 1 verkürzt sich der Draht bei Erwärmung. Er kühlt sich entlang des Pfades 2 wieder ab. Wird er dabei nicht gedehnt, bleibt er verkürzt (2a). Er kann jedoch entlang 2b durch Zug wieder verlängert werden. Der Kreislauf kann somit erneut beginnen. Typische Werte der Längenänderung liegen zwischen 3 und 5 Prozent. Durch verschiedene Konstruktionsformen lässt sich der Arbeitsweg verlängern. Ebenso lassen sich nicht nur lineare Bewegungen erzeugen, sondern auch Kreisbewegungen.
Etwas Nitinol-Geschichte
Der schwedische Physiker Arne Ölander untersuchte 1932 eine Legierung aus Gold und Cadmium. Dabei entdeckte er Folgendes: Die Legierung nahm ihre ursprüngliche Form ein, wenn sie erhitzt wurde. Dieses Phänomen wird heute Shape Memory Effect oder Formgedächtnis-Effekt genannt.
In den 1960er-Jahren wurde in einem Labor der US-Marine eine Nickel-Titan-Legierung mit besonders ausgeprägtem Formgedächtnis entwickelt. Nach Nickel-Titan und dem Naval Ordnance Laboratory wurde sie Nitinol getauft. Inzwischen sind auch CuAlZn, AuCd und FePt als Memory-Legierungen bekannt.
