01.06.2015

Christian-Albrechts-Universität zu Kiel

Superelastische Metalle ohne Ermüdung: Kieler Forschende entwickeln neues intelligentes Material

Wissenschaftler der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) haben zusammen mit Kollegen der University of Maryland, USA, eine superelastische Metalllegierung entwickelt, die sich millionenfach dehnen lässt und nach Entlastung jedes Mal wieder vollständig in die Ursprungsform zurückkehrt. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Materialwissenschaftler in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Science.

Der zugrunde liegende superelastische Effekt des neuen Materials beruht auf einer durch mechanische Spannung erzeugten reversiblen Umwandlung der Kristallstruktur von einer hochsymmetrischen zu einer weniger symmetrischen Kristallstruktur. „Im Experiment ließen sich 0,02 Millimeter dicke Filme aus einer Titan-Nickel-Kupfer Legierung, hergestellt mit einem Dünnschicht-Abscheidungsprozess, über zehn Millionen Mal verformen, ohne signifikante Ermüdungserscheinungen zu zeigen“, erklärt Doktorand Christoph Chluba, Erstautor der Publikation, die Ergebnisse des Forschungsteams um Professor Eckhard Quandt, Arbeitsgruppe Anorganische Funktionsmaterialien an der CAU. Bisher bekannte Legierungen zeigten ein deutlich stärkeres Ermüdungsverhalten. Die Entdecker der hohen Reversibilität des Materials erklären den Effekt so: „Bei der Herstellung des Materials werden Ausscheidungen einer Fremdphase erzeugt, welche durch ihre spezielle Kristallstruktur die jeweils vollständige Phasenumwandlung garantieren.“

Dieses Material könnte auf vielfältige Art und Weise eingesetzt werden. Bei der Dehnung heizt sich das Material um zirka 10 Grad Celsius auf und bei der Entlastung entsprechend ab, was als elastokalorischer Effekt bezeichnet wird. Genau diese Abkühlung könnte für neuartige miniaturisierte Kühlanwendungen genutzt werden, die ohne gasförmige Kältemittel auskommen. Da das Kieler Material unbegrenzt oft verformt werden kann, wäre eine lange Lebensdauer eines solchen Kühlgerätes garantiert. Aufgrund seines hohen Wirkungsgrades könnte dieser neue Kühlungsmechanismus zur Energieeinsparung beitragen. Mit derartigen Fragestellungen beschäftigt sich das Schwerpunktprogramm 1599 (Koordination: IFW Dresden) der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG), in dessen Rahmen auch diese Arbeit gefördert wurde.

Das Forschungsteam kann sich auch vorstellen, dass das superelastische Metall in der Medizin eingesetzt wird: Als künstliche Herzklappe zum Beispiel, die durch den Herzschlag einer sehr großen Zyklenzahlen periodisch auftretender Verformungen ausgesetzt ist. Hierfür müsste das Material aber noch „biokompatibel“ werden, so dass für diese Anwendung noch neue Legierungsentwicklung auf der Basis der gefundenen Materialien notwendig sein wird.

Literatur
Christoph Chluba, Wenwei Ge, Rodrigo Lima de Miranda, Julian Strobel, Lorenz Kienle, Eckhard Quandt, Manfred Wuttig. Ultra-Low Fatigue Shape Memory Alloy Films. Published 29 May 2015, Science 348, 1004 (2015), DOI: 10.1126/science.1261164

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