Computergestützte Partnervermittlung für Formgedächtnis-Metalle

Eine neue Formgedächtnis-Legierung mit bisher unerreichter funktioneller Stabilität haben Forscher des Instituts für Werkstoffe der Ruhr-Universität gemeinsam mit Kollegen aus den USA und Japan entwickelt. Sie stützten sich dabei auf eine theoretische Vorhersage und nutzten kombinatorische Methoden der Materialforschung, sog. Dünnschicht-Materialbibliotheken, um die optimale Zusammensetzung zu entwickeln. Das Ergebnis besteht aus vier Komponenten: Titan, Nickel, Kupfer und Palladium.

Von dem neuen Material versprechen sich die Forscher Bauteile mit stabilem Formgedächtniseffekt und langer Lebensdauer, z.B. für Anwendungen in der Medizintechnik wie Stents. Sie berichten in der aktuellen Ausgabe des renommierten Journals „Advanced Functional Materials“, das ihren Beitrag als Titelstory auswählte.

Formgedächtnislegierungen

Formgedächtnismaterialien kehren nach einer mechanischen Verformung bei Erwärmung in ihren Ausgangszustand zurück (Formgedächtniseffekt), oder ermöglichen bis zu ca. 10 % vollständig „elastische“ Dehnungen (Superelastizität). Die erstaunlichen Effekte basieren auf einer umkehrbaren martensitischen Phasenumwandlung: Die Kristallstruktur verändert sich in Abhängigkeit von der Temperatur oder Spannung. Allerdings gehen diese Veränderungen nicht spurlos am Material vorbei. Die wiederholten Verformungen erzeugen Defekte, die sich auf Dauer summieren, so dass das die Formgedächtniseigenschaft nachlässt. „Die Defekte entstehen an der Grenze zwischen der Hochtemperatur- und der Tieftemperaturphase während der Umwandlung und resultieren aus einer Fehlpassung der Kristallstrukturen“, erklärt Robert Zarnetta vom Materials Research Department der RUB.

Vier passende Partner

Theoretische Berechnungen der Forschungspartner aus den USA hatten ergeben, dass sich diese Fehlpassung durch die Auswahl von Metallen mit kompatiblen Hoch- und Tieftemperatur-Kristallgitterstrukturen reduzieren lassen müsste. Als optimale Partner für eine solche Legierung wurden die vier Metalle Titan, Nickel, Kupfer und Palladium (Ti-Ni-Cu-Pd) berechnet. Die erfolgreiche experimentelle „Partnervermittlung“ wurde durch den Einsatz von Dünnschicht-Materialbibliotheken möglich, mit deren Hilfe sehr große Zusammensetzungsbereiche in aus vier Elementen bestehenden (quaternären) Legierungssystemen mit Hochdurchsatz-Charakterisierungsmethoden untersucht werden können. „Die spezielle Zusammensetzung der neuen Legierung mit konventionellen experimentellen Methoden zu finden und zu optimieren wäre extrem schwierig gewesen“, erklärt Prof. Dr. Alfred Ludwig, Inhaber des Lehrstuhls Werkstoffe der Mikrotechnik.

Kompatible Kristallgitter machen stabil

Neben der Entdeckung spezieller Legierungszusammensetzungen konnten die Forscher in den Dünnschichten auch die zugrundeliegenden Zusammensetzungs-Struktur-Eigenschaftsbeziehungen ermitteln, und nutzten diese, um die Ergebnisse der Dünnschichten auf Massivmaterialien zu übertragen. So gelang zum ersten Mal der Nachweis des grundlegenden Zusammenhangs zwischen dem kristallinen Aufbau von Formgedächtnismaterialien und deren funktioneller Stabilität. „Eine verbesserte Kompatibilität der Kristallgitter der Hochtemperatur- und Tieftemperaturphase führt zu verbesserter funktioneller Stabilität“, fasst Robert Zarnetta das Ergebnis zusammen. „Dieser Zusammenhang konnte nur durch den Brückenschlag zwischen der kombinatorischen Entwicklung von Formgedächtnis-Dünnschichten und der konventionellen Materialentwicklung nachgewiesen werden“.

Sonderforschungsbereich und Research Department

Die Untersuchungen wurden, aufbauend auf der Arbeit im Sonderforschungsbereich (SFB) 459 „Formgedächtnistechnik“, am Lehrstuhl „Werkstoffe der Mikrotechnik“ (Prof. Dr.-Ing. Alfred Ludwig, Institut für Werkstoffe) in Kooperation mit dem Lehrstuhl Werkstoffwissenschaft (Prof. Dr.-Ing. Gunther Eggeler, Institut für Werkstoffe) im Materials Research Department der RUB durchgeführt.

Titelaufnahme

Zarnetta, R., Takahashi, R., Young, M. L., Furuya, Y., Thienhaus, S., Savan, A., Maass, B., Rahim, M., Frenzel, J., Brunken, H., Chu, Y. S., Srivastava, V., James, R. D., Takeuchi, I., Eggeler, G. & Ludwig, A.: Identification of quaternary shape memory alloys with near zero thermal hysteresis and unprecedented functional stability, In: Advanced Functional Materials 2010, 20, 1917-1923), doi: 10.1002/adfm.200902336

Weitere Informationen

Prof. Dr.-Ing. Alfred Ludwig, Werkstoffe der Mikrotechnik, Institut für Werkstoffe, Fakultät Maschinenbau, Ruhr-Universität Bochum, Tel. 0234/32-27492, alfred.ludwig@rub.de, http://www.rub.de/wdm und http://www.rub.de/sfb459

Robert Zarnetta, Materials Research Department, Ruhr-Universität Bochum, Tel. 0234/32-25929, robert.zarnetta@rub.de, http://www.rd.rub.de/is3

Redaktion: Meike Drießen