Wie funktioniert Nitinoldraht?

Nitinoldraht ist eine Art Formgedächtnislegierung (SMA), die einzigartige Eigenschaften wie Superelastizität und Formgedächtniseffekt aufweist. Diese Eigenschaften ergeben sich aus der einzigartigen Kristallstruktur von Nitinol, die es ihm ermöglicht, unter bestimmten Bedingungen eine reversible Phasenumwandlung zu durchlaufen.

Bei hohen Temperaturen liegt Nitinoldraht in der Austenitphase vor, einer hochgeordneten Kristallstruktur. Wenn der Draht unter eine bestimmte Temperatur, die sogenannte Martensit-Starttemperatur, abgekühlt wird, durchläuft er eine Phasenumwandlung in die Martensitphase, bei der es sich um eine weniger geordnete Kristallstruktur handelt. In dieser Phase kann der Draht leicht verformt werden und behält seine neue Form, wenn die Verformung entfernt wird. Wenn der Draht jedoch über die Martensit-Endtemperatur erhitzt wird, durchläuft er eine zweite Phasenumwandlung zurück in die Austenitphase und kehrt in seine ursprüngliche Form zurück.

Betrachten wir als Beispiel einen 45-Grad-Hochtemperatur-Nitinoldraht. Wenn dieser Draht auf seine Austenitphasentemperatur (über 500 Grad) erhitzt wird, richtet er sich vollständig auf. Wenn es dann auf Raumtemperatur abgekühlt wird, während es gerade gehalten wird, behält es seine gerade Form, da es sich in der Martensitphase befindet. Wenn der Draht jedoch in der Austenitphase gebogen oder um einen Zylinder gewickelt und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wird, behält er seine verformte Form. Wenn der Draht wieder auf seine Austenitphasentemperatur erhitzt wird, nimmt er wieder seine ursprüngliche gerade Form an.

Betrachten wir nun das Szenario, in dem der {{0}}Grad-Nitinoldraht auf unter seine Martensit-Endtemperatur (ungefähr -10 auf 0 Grad) abgekühlt wird, während er um einen Zylinder gebogen oder gewickelt wird. In diesem Fall behält der Draht seine verformte Form auch dann bei, wenn er auf die Austenitphasentemperatur erhitzt wird, da er aufgrund der Martensitphasenumwandlung eine bleibende Verformung erfahren hat. Daher kehrt der Draht auch bei hohen Temperaturen nicht in seine ursprüngliche gerade Form zurück.

Wenn der Draht in der Austenitphase gebogen oder zu einem Knoten zusammengebunden und dann auf Raumtemperatur abgekühlt wird, behält er seine verformte Form auch dann bei, wenn er wieder auf die Austenitphasentemperatur erhitzt wird. Dies liegt daran, dass die durch den Knoten verursachte bleibende Verformung durch die Martensit-Phasenumwandlung nicht rückgängig gemacht werden kann.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Funktionsprinzip von Hochtemperatur-Nitinoldraht auf seiner reversiblen Phasenumwandlung zwischen der Austenit- und der Martensitphase basiert, wodurch er Superelastizität und Formgedächtniseffekt aufweist. Wenn der Draht jedoch während der Martensitphase einer bleibenden Verformung ausgesetzt ist, kann er auch bei hohen Temperaturen nicht seine ursprüngliche Form wiedererlangen.