Formgedächtnislegierung

Eine Formgedächtnislegierung (SMA, Smart Metal, Memory Metal, Memory-Legierung, Muskeldraht, Smart-Legierung) ist eine Legierung, die sich an ihre ursprüngliche Form “erinnert” und bei Verformung beim Erhitzen in ihre vorverformte Form zurückkehrt. Dieses Material ist eine leichte Alternative zu herkömmlichen Stellgliedern wie hydraulischen, pneumatischen und motorbasierten Systemen. Formgedächtnislegierungen finden in der Robotik und in der Automobil-, Luftfahrt- und Biomedizin-Industrie Anwendung.

Überblick
Die zwei häufigsten Formgedächtnislegierungen sind Kupfer-Aluminium-Nickel- und Nickel-Titan (NiTi) -Legierungen, aber SMAs können auch durch Legieren von Zink, Kupfer, Gold und Eisen hergestellt werden. Obwohl Eisen-basierte und Kupfer-basierte SMAs, wie Fe-Mn-Si, Cu-Zn-Al und Cu-Al-Ni, im Handel erhältlich und billiger als NiTi sind, sind NiTi-basierte SMAs aufgrund ihrer Stabilität für die meisten Anwendungen bevorzugt , praktikabilität und überlegene thermomechanische leistung. SMAs können in zwei verschiedenen Phasen existieren, mit drei verschiedenen Kristallstrukturen (dh Zwillingsmartensit, Doppelmartensit und Austenit) und sechs möglichen Umwandlungen.

NiTi-Legierungen wechseln beim Abkühlen von Austenit zu Martensit; Mf ist die Temperatur, bei der der Übergang zum Martensit beim Abkühlen abgeschlossen ist. Dementsprechend sind während des Erhitzens As und Af die Temperaturen, bei denen die Umwandlung von Martensit zu Austenit beginnt und endet. Die wiederholte Verwendung des Formgedächtniseffekts kann zu einer Verschiebung der charakteristischen Umwandlungstemperaturen führen (dieser Effekt wird als Funktionsermüdung bezeichnet, da er eng mit einer Änderung der Gefüge- und Funktionseigenschaften des Materials zusammenhängt). Die maximale Temperatur, bei der SMAs nicht mehr durch Stress induziert werden können, wird als Md bezeichnet, wobei die SMAs dauerhaft verformt werden.

Der Übergang von der Martensitphase in die Austenitphase ist nur von Temperatur und Spannung abhängig, nicht von der Zeit, da die meisten Phasenänderungen vorliegen, da keine Diffusion erforderlich ist. In ähnlicher Weise erhält die Austenitstruktur ihren Namen von Stahllegierungen ähnlicher Struktur. Es ist der reversible diffusionslose Übergang zwischen diesen beiden Phasen, der zu besonderen Eigenschaften führt. Während Martensit durch schnelles Abkühlen von Kohlenstoffstahl aus Austenit gebildet werden kann, ist dieses Verfahren nicht reversibel, so dass Stahl keine Formgedächtniseigenschaften aufweist.

(T) steht für die Martensitfraktion. Die Differenz zwischen dem Erwärmungsübergang und dem Abkühlungsübergang führt zu einer Hysterese, bei der ein Teil der mechanischen Energie während des Prozesses verloren geht. Die Form der Kurve hängt von den Materialeigenschaften der Formgedächtnislegierung ab, beispielsweise von der Legierung. und Arbeit verhärten.

Nutzbare Effekte
Formgedächtnislegierungen können sehr große Kräfte ohne spürbare Ermüdung auf mehrere 100.000 Bewegungszyklen übertragen. Im Vergleich zu anderen Aktuatormaterialien haben Formgedächtnislegierungen mit Abstand die größte spezifische Arbeitsleistung (Verhältnis von Arbeitsleistung zu Materialvolumen). Formspeicherelemente können mehrere Millionen Zyklen arbeiten. Mit zunehmender Anzahl von Zyklen können die Eigenschaften von Formgedächtniselementen z. B. nach der Umwandlung eine Restspannung bleiben.

Grundsätzlich können alle Formgedächtnislegierungen Formgedächtniseffekte ausführen. Der jeweils gewünschte Effekt ist Aufgabe der Herstellungs- und Materialtechnologie und muss durch Abstimmung der Betriebstemperaturen und Optimierung der Effektgrößen trainiert werden.

Einweg- oder Zweiweg-Formgedächtnis
Formgedächtnislegierungen haben unterschiedliche Formgedächtniseffekte. Zwei häufige Effekte sind Einweg- und Zweiwegformgedächtnis. Ein Schema der Effekte ist unten gezeigt.

Die Verfahren sind sehr ähnlich: Ausgehend von Martensit, Hinzufügen einer reversiblen Verformung für den Einwegeffekt oder einer starken Verformung mit einem irreversiblen Betrag für den Zweiwegevorgang, Erwärmen der Probe und erneutes Abkühlen.

Einweggedächtniseffekt
Wenn sich eine Formgedächtnislegierung in einem kalten Zustand befindet (unter As), kann das Metall gebogen oder gedehnt werden und hält diese Formen, bis sie über die Übergangstemperatur erhitzt wird. Beim Erhitzen ändert sich die Form in ihre ursprüngliche Form. Wenn das Metall wieder abkühlt, bleibt es in der heißen Form, bis es wieder deformiert wird.

Durch den Einwegeffekt bewirkt das Abkühlen bei hohen Temperaturen keine makroskopische Formänderung. Eine Verformung ist notwendig, um die Niedertemperaturform zu erzeugen. Beim Erhitzen beginnt die Umwandlung bei As und ist bei Af abgeschlossen (typischerweise 2 bis 20 ° C oder heißer, je nach Legierung oder Beladungsbedingungen). Wie wird durch Legierungsart und -zusammensetzung bestimmt und kann zwischen -150 ° C und 200 ° C variieren.

Zwei-Wege-Memory-Effekt
Der Zwei-Wege-Formgedächtniseffekt hat den Effekt, dass das Material zwei verschiedene Formen speichert: eine bei niedrigen Temperaturen und eine bei der Hochtemperaturform. Ein Material, das sowohl beim Erhitzen als auch beim Abkühlen einen Formgedächtniseffekt zeigt, soll ein bidirektionales Formgedächtnis haben. Dies kann auch ohne Anwendung einer äußeren Kraft erreicht werden (intrinsischer Zweiwege-Effekt). Der Grund, warum sich das Material in diesen Situationen so unterschiedlich verhält, liegt im Training. Das Training impliziert, dass ein Formgedächtnis “lernen” kann, sich auf eine bestimmte Weise zu verhalten. Unter normalen Umständen “erinnert” sich eine Formgedächtnislegierung an ihre Niedrigtemperaturform, aber beim Erhitzen, um die Hochtemperaturform wieder herzustellen, “vergisst” sie sofort die Niedertemperaturform. Es kann jedoch “trainiert” werden, sich zu “erinnern”, um einige Erinnerungen an den verformten Niedertemperaturzustand in den Hochtemperaturphasen zu hinterlassen. Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten. Ein geformtes, trainiertes Objekt, das über einen bestimmten Punkt erhitzt wird, verliert den Zwei-Wege-Memory-Effekt.

Pseudoelastisches Verhalten (“Superelastizität”)
In Formgedächtnislegierungen kann zusätzlich zu der gewöhnlichen elastischen Verformung eine reversible Formänderung beobachtet werden, die durch äußere Kraft verursacht wird. Diese “elastische” Verformung kann die Elastizität herkömmlicher Metalle bis zu zwanzigmal übersteigen. Die Ursache dieses Verhaltens ist jedoch nicht die Bindungskraft der Atome, sondern eine Phasenumwandlung innerhalb des Materials. Das Material muss in der Hochtemperaturphase mit austenitischer Struktur vorliegen. Bei äußeren Beanspruchungen liegen die kubisch flächenzentrierten FormenAustenite im tetragonalen verzerrten (körperzentrierten oder kubisch-körperzentrierten, tetragonalen verzerrten Gitter) Martensit (stressinduzierter Martensit) um. Beim Entladen wandelt sich der Martensit wieder in Austenit um. Da jedes Atom während der Umwandlung sein benachbartes Atom behält, wird es auch als diffusionslose Phasenumwandlung bezeichnet. Daher wird die Eigenschaft als pseudoelastisches Verhalten bezeichnet. Das Material kehrt durch seine innere Spannung in seine ursprüngliche Form zurück. Hierzu sind keine Temperaturänderungen erforderlich.

SMAs weisen auch eine Superelastizität auf, die durch die Erholung relativ großer Stämme mit einigen, jedoch mit Verlust gekennzeichneten Eigenschaften gekennzeichnet ist. Neben temperaturinduzierten Phasenumwandlungen können Martensit- und Austenitphasen als Reaktion auf mechanische Beanspruchung induziert werden. Wenn SMAs in der Austenitphase (dh oberhalb einer bestimmten Temperatur) geladen werden, beginnt das Material sich in die (Zwillings-) Martensitphase zu verwandeln, wenn eine kritische Spannung erreicht wird. Bei fortgesetzter Belastung und unter Annahme isothermer Bedingungen beginnt sich der (Zwillings-) Martensit zu lösen, wodurch das Material plastisch verformt werden kann. Wenn das Entladen vor der Plastizität erfolgt, wandelt sich der Martensit wieder in Austenit um und das Material erhält seine ursprüngliche Form durch Hysterese. Zum Beispiel können sich diese Materialien reversibel zu sehr hohen Dehnungen – bis zu 7 Prozent – verformen. Eine eingehendere Diskussion des pseudoelastischen Verhaltens wird in den experimentellen Arbeiten von Shaw & Kyriakides und in jüngerer Zeit von Ma et al.

Geschichte
Die ersten gemeldeten Schritte zur Entdeckung des Formgedächtniseffekts wurden in den 1930er Jahren unternommen. Laut Otsuka und Wayman entdeckte Arne Ölander 1932 das pseudoelastische Verhalten der Au-Cd-Legierung. Greninger und Mooradian (1938) beobachteten die Bildung und das Verschwinden einer martensitischen Phase, indem sie die Temperatur einer Cu-Zn-Legierung abnahmen und erhöhten. Das grundlegende Phänomen des Memory-Effekts, der durch das thermoelastische Verhalten der Martensitphase bestimmt wird, wurde ein Jahrzehnt später von Kurdjumov und Khandros (1949) sowie von Chang and Read (1951) ausführlich beschrieben.

Die Nickel-Titan-Legierungen wurden erstmals 1962–1963 vom United States Naval Ordnance Laboratory entwickelt und unter dem Handelsnamen Nitinol (Abkürzung für Nickel Titanium Naval Ordnance Laboratories) kommerzialisiert. Ihre bemerkenswerten Eigenschaften wurden zufällig entdeckt. Bei einem Labormanagement-Meeting wurde eine oftmals aus der Form gebogene Probe präsentiert. Einer der technischen Direktoren, Dr. David S. Muzzey, entschied sich zu prüfen, was passieren würde, wenn die Probe Hitze ausgesetzt würde, und hielt seine Pfeife darunter. Zum Erstaunen aller erstreckte sich die Probe wieder in ihre ursprüngliche Form.

Es gibt eine andere Art von SMA, die als ferromagnetische Formgedächtnislegierung (FSMA) bezeichnet wird, die unter starken Magnetfeldern ihre Form ändert. Diese Materialien sind von besonderem Interesse, da die magnetische Reaktion tendenziell schneller und effizienter ist als die temperaturinduzierte Reaktion.

Metalllegierungen sind nicht die einzigen auf Wärme reagierenden Materialien. Formgedächtnispolymere wurden ebenfalls entwickelt und wurden Ende der 1990er Jahre kommerziell verfügbar.

Kristallstrukturen
Viele Metalle haben mehrere unterschiedliche Kristallstrukturen bei gleicher Zusammensetzung, aber die meisten Metalle zeigen diesen Formgedächtniseffekt nicht. Die besondere Eigenschaft, dass Formgedächtnislegierungen nach dem Erhitzen in ihre ursprüngliche Form zurückkehren können, besteht darin, dass ihre Kristallumwandlung vollständig reversibel ist. Bei den meisten Kristallumwandlungen wandern die Atome in der Struktur durch Diffusion durch das Metall und verändern die Zusammensetzung lokal, obwohl das Metall insgesamt aus den gleichen Atomen besteht. Eine reversible Transformation beinhaltet nicht diese Diffusion von Atomen. Stattdessen verschieben sich alle Atome gleichzeitig, um eine neue Struktur zu bilden, ähnlich wie ein Parallelogramm aus einem Quadrat hergestellt werden kann, indem auf zwei gegenüberliegenden Seiten gedrückt wird. Bei unterschiedlichen Temperaturen sind unterschiedliche Strukturen bevorzugt, und wenn die Struktur durch die Übergangstemperatur abgekühlt wird, bildet sich die martensitische Struktur aus der austenitischen Phase.

Magnetische Formgedächtnislegierungen
Zusätzlich zu den oben beschriebenen thermisch angeregten magnetischen Legierungen gibt es Formgedächtnislegierungen (engl. Magnetic Memory Memory Alloy, MSMA), die eine magnetisch angeregte Formänderung zeigen. In diesem Fall bewegen Sie sich durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes an den Zwillingsgrenzen und es gibt eine Änderung in Form und Länge. Die erzielbare Längenänderung solcher Legierungen liegt derzeit bei relativ kleinen (im Gegensatz zu magnetostriktiven Materialien) kleinen übertragbaren Kräften im Bereich von bis zu 10%.

Herstellung
Formgedächtnislegierungen werden typischerweise durch Gießen unter Verwendung von Vakuumlichtbogenschmelzen oder Induktionsschmelzen hergestellt. Hierbei handelt es sich um spezielle Techniken, um Verunreinigungen in der Legierung so gering wie möglich zu halten und sicherzustellen, dass die Metalle gut gemischt werden. Der Block wird dann zu längeren Abschnitten warmgewalzt und dann gezogen, um daraus Draht zu machen.

Die Art und Weise, in der die Legierungen “trainiert” werden, hängt von den gewünschten Eigenschaften ab. Das “Training” gibt die Form vor, an die sich die Legierung beim Erhitzen erinnert. Dies geschieht durch Erhitzen der Legierung, so dass die Versetzungen sich in stabile Positionen umordnen, jedoch nicht so heiß, dass das Material umkristallisiert. Sie werden 30 Minuten auf 400 bis 500 ° C erhitzt, heiß geformt und dann durch Abschrecken in Wasser oder durch Abkühlen mit Luft schnell abgekühlt.

Eigenschaften
Die Formgedächtnislegierungen auf Kupfer- und NiTi-Basis gelten als Konstruktionswerkstoffe. Diese Zusammensetzungen können in nahezu jeder Form und Größe hergestellt werden.

Die Streckgrenze von Formgedächtnislegierungen ist niedriger als die von herkömmlichem Stahl, aber einige Zusammensetzungen haben eine höhere Streckgrenze als Kunststoff oder Aluminium. Die Fließspannung für Ni Ti kann 500 MPa erreichen. Die hohen Kosten des Metalls selbst und die Verarbeitungsanforderungen machen es schwierig und teuer, SMAs in ein Design zu implementieren. Daher werden diese Materialien in Anwendungen eingesetzt, bei denen die superelastischen Eigenschaften oder der Formgedächtniseffekt ausgenutzt werden können. Die häufigste Anwendung ist die Ansteuerung.

Einer der Vorteile bei der Verwendung von Formgedächtnislegierungen ist der hohe Grad an wiederherstellbarer plastischer Spannung, der induziert werden kann. Die maximale wiederherstellbare Dehnung, die diese Materialien ohne bleibenden Schaden halten können, beträgt für einige Legierungen bis zu 8%. Dies ist vergleichbar mit einer maximalen Dehnung von 0,5% für herkömmliche Stähle.

Praktische Einschränkungen
SMA haben viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Stellgliedern, leiden jedoch unter einer Reihe von Einschränkungen, die die praktische Anwendung beeinträchtigen können. In zahlreichen Studien wurde betont, dass nur wenige der patentierten Legierungen mit Formgedächtnislegierungen aufgrund von Materialeinschränkungen in Verbindung mit fehlendem Material- und Konstruktionswissen sowie zugehörigen Werkzeugen, wie beispielsweise falschen Konstruktionsansätzen und verwendeten Techniken, kommerziell erfolgreich sind. Die Herausforderungen beim Entwurf von SMA-Anwendungen bestehen darin, ihre Einschränkungen zu überwinden, die eine relativ kleine nutzbare Dehnung, eine niedrige Betätigungsfrequenz, eine geringe Steuerbarkeit, eine geringe Genauigkeit und eine geringe Energieeffizienz umfassen.

Reaktionszeit und Antwortsymmetrie
SMA-Stellantriebe werden normalerweise elektrisch betätigt, wobei ein elektrischer Strom zu Joulesche Erwärmung führt. Die Deaktivierung erfolgt normalerweise durch freie konvektive Wärmeübertragung in die Umgebung. Folglich ist die SMA-Betätigung typischerweise asymmetrisch mit einer relativ schnellen Betätigungszeit und einer langsamen Deaktivierungszeit. Es wurde eine Anzahl von Verfahren vorgeschlagen, um die SMA-Deaktivierungszeit zu reduzieren, einschließlich erzwungener Konvektion und Verzögern des SMA mit einem leitfähigen Material, um die Wärmeübertragungsrate zu beeinflussen.

Neuere Verfahren zur Verbesserung der Durchführbarkeit von SMA-Stellgliedern umfassen die Verwendung eines leitfähigen “Lagagings”. Dieses Verfahren verwendet eine Wärmeleitpaste, um Wärme schnell von der SMA durch Wärmeleitung zu übertragen. Diese Wärme wird dann leichter durch Konvektion an die Umgebung übertragen, da die äußeren Radien (und der Wärmeübertragungsbereich) wesentlich größer sind als für den blanken Draht. Diese Methode führt zu einer deutlichen Reduzierung der Deaktivierungszeit und einem symmetrischen Aktivierungsprofil. Infolge der erhöhten Wärmeübertragungsrate wird der zum Erreichen einer bestimmten Betätigungskraft erforderliche Strom erhöht.

Strukturermüdung und Funktionsermüdung
SMA unterliegt einer strukturellen Ermüdung – einem Versagensmodus, bei dem eine zyklische Belastung zur Initiierung und Ausbreitung eines Risses führt, der schließlich zu einem katastrophalen Funktionsverlust durch Bruch führt. Die Physik hinter diesem Ermüdungsmodus ist die Anhäufung von Mikrostrukturschäden während der zyklischen Belastung. Dieser Fehlermodus wird in den meisten Konstruktionsmaterialien beobachtet, nicht nur in SMAs.

SMAs unterliegen auch einer Funktionsermüdung, einem Versagensmodus, der für die meisten Konstruktionsmaterialien nicht typisch ist, wodurch der SMA nicht strukturell ausfällt, sondern mit der Zeit seine Formgedächtnis- / Superelastik-Eigenschaften verliert. Durch die zyklische Belastung (sowohl mechanisch als auch thermisch) verliert das Material seine Fähigkeit, eine reversible Phasenumwandlung zu durchlaufen. Beispielsweise nimmt der Arbeitsversatz in einem Stellglied mit zunehmenden Zykluszahlen ab. Die Physik dahinter ist eine allmähliche Veränderung der Mikrostruktur, genauer gesagt, der Aufbau von Behausungsversetzungen. Dies geht häufig mit einer signifikanten Änderung der Umwandlungstemperatur einher. Das Design von SMA-Antrieben kann auch die strukturelle und funktionale Ermüdung von SMA beeinflussen, wie z. B. die Konfiguration der Riemenscheiben im SMA-Pulley-System.

Unbeabsichtigte Betätigung
SMA-Stellantriebe werden normalerweise elektrisch durch Joule-Heizung angesteuert. Wenn der SMA in einer Umgebung verwendet wird, in der die Umgebungstemperatur nicht geregelt ist, kann es zu einer unbeabsichtigten Aktivierung durch Erwärmung der Umgebung kommen.

Anwendungen

Industriell

Flugzeuge und Raumfahrzeuge
Boeing, General Electric Aircraft Engines, die Goodrich Corporation, die NASA, die Texas A & M University und All Nippon Airways entwickelten den Chevron mit variabler Geometrie unter Verwendung einer NiTi-SMA. Ein solches VAFN-Design (Variable Fan-Düse) würde zukünftig leisere und effizientere Düsentriebwerke ermöglichen. In den Jahren 2005 und 2006 hat Boeing diese Technologie erfolgreich getestet.

SMAs werden als Schwingungsdämpfer für Trägerfahrzeuge und gewerbliche Düsentriebwerke untersucht. Die große Menge an Hysterese, die während des superelastischen Effekts beobachtet wird, ermöglicht es SMAs, Energie abzubauen und Vibrationen zu dämpfen. Diese Materialien sind vielversprechend, um die hohen Vibrationslasten auf der Nutzlast während des Starts sowie auf Lüfterflügel in kommerziellen Düsentriebwerken zu reduzieren, wodurch leichtere und effizientere Konstruktionen ermöglicht werden. SMAs weisen auch Potenzial für andere Anwendungen mit hohem Schock auf, z. B. Kugellager und Fahrwerke.

Es besteht auch ein starkes Interesse an der Verwendung von SMAs für eine Vielzahl von Aktuatoranwendungen in kommerziellen Düsentriebwerken, die ihr Gewicht erheblich reduzieren und die Effizienz steigern würden. In diesem Bereich müssen jedoch weitere Forschungen durchgeführt werden, um die Umwandlungstemperaturen zu erhöhen und die mechanischen Eigenschaften dieser Materialien zu verbessern, bevor sie erfolgreich eingesetzt werden können. Ein Überblick über die jüngsten Fortschritte bei Hochtemperatur-Formgedächtnislegierungen (HTSMAs) wird von Ma et al.

Eine Vielzahl von Technologien zur Flügelformung wird ebenfalls erforscht.

Automotive
Das erste großvolumige Produkt (> 5Mio-Stellantriebe / Jahr) ist ein Kfz-Ventil, das zur Steuerung von Niederdruck-Pneumatikblasen in einem Autositz dient, die die Kontur der Lordosenstütze / -kissen einstellen. Die allgemeinen Vorteile von SMA gegenüber traditionell verwendeten Magnetspulen in dieser Anwendung (geringeres Rauschen / EMV / Gewicht / Formfaktor / Stromverbrauch) waren der entscheidende Faktor für die Entscheidung, die alte Standardtechnologie durch SMA zu ersetzen.

Die 2014 Chevrolet Corvette war das erste Fahrzeug, das SMA-Stellantriebe enthielt, die schwerere motorisierte Stellantriebe ersetzten, um die Luftklappe zu öffnen und zu schließen, durch die Luft aus dem Kofferraum entlassen wird, was das Schließen vereinfacht. Eine Vielzahl weiterer Anwendungen wird angestrebt, einschließlich elektrischer Generatoren zur Erzeugung von Strom aus Abwärme und bedarfsgesteuerter Staudämme zur Optimierung der Aerodynamik bei verschiedenen Geschwindigkeiten.

Robotik
Es gibt auch begrenzte Studien zur Verwendung dieser Materialien in der Robotik, zum Beispiel den Hobby-Roboter Stiquito (und “Roboterfrau Lara”), da sie die Herstellung sehr leichter Roboter ermöglichen. Vor kurzem wurde eine Handprothese von Loh et al. das kann fast die Bewegungen einer menschlichen Hand nachmachen [Loh2005]. Weitere biomimetische Anwendungen werden ebenfalls untersucht. Schwachpunkte der Technologie sind Energieineffizienz, langsame Antwortzeiten und große Hysterese.

Biotechnologisch gefertigte Roboterhand
Es gibt einige SMA-basierte Prototypen einer Roboterhand, die den Formgedächtniseffekt (SME) zum Bewegen der Finger verwenden.

Zivilstrukturen
SMAs finden eine Vielzahl von Anwendungen in zivilen Strukturen wie Brücken und Gebäuden. Eine solche Anwendung ist der Intelligent Reinforced Concrete (IRC), der SMA-Drähte enthält, die in den Beton eingebettet sind. Diese Drähte können Risse erkennen und zusammenziehen, um Risse in Makrogröße zu heilen. Eine andere Anwendung ist die aktive Abstimmung der strukturellen Eigenfrequenz mit SMA-Drähten, um Vibrationen zu dämpfen.

Rohrleitungen
Die erste kommerzielle Anwendung für Verbraucher war eine Formgedächtniskupplung für Rohrleitungen, z. B. Ölleitungsrohre für industrielle Anwendungen, Wasserleitungen und ähnliche Arten von Rohrleitungen für Verbraucher / gewerbliche Anwendungen.

Telekommunikation
Die zweite Anwendung mit hohem Volumen war ein Autofokus (AF) für ein Smartphone. Derzeit arbeiten mehrere Unternehmen an einem optischen Bildstabilisierungsmodul (OIS), das durch Drähte aus SMAs angetrieben wird

Medizin
Formgedächtnislegierungen werden in der Medizin zum Beispiel als Fixiermittel für Osteotomien in der orthopädischen Chirurgie verwendet, in Zahnspangen, um konstante Zahnbewegungskräfte auf die Zähne auszuüben, und in der Kapselendoskopie können sie als Auslöser für die Biopsiewirkung verwendet werden.

In den späten 1980er Jahren wurde Nitinol kommerziell in einer Reihe minimal invasiver endovaskulärer medizinischer Anwendungen eingeführt. Die teureren Eigenschaften von Nitinol-Legierungen, die nach BTR (Body Temperature Response) hergestellt werden, sind zwar teurer als Edelstahl, bieten jedoch eine attraktive Alternative zu ballonexpandierbaren Vorrichtungen in Stentimplantaten, bei denen sie sich an die Form bestimmter Blutgefäße anpassen können Körpertemperatur ausgesetzt. Im Durchschnitt werden 50% aller derzeit auf dem Weltmarkt erhältlichen peripheren Gefäßstents mit Nitinol hergestellt.

Optometrie
Brillenfassungen aus titanhaltigen SMAs werden unter den Marken Flexon und TITANflex vertrieben. Diese Rahmen bestehen normalerweise aus Legierungen mit Formgedächtnis, deren Übergangstemperatur unter die erwartete Raumtemperatur eingestellt ist. Dadurch können die Rahmen unter Belastung eine starke Verformung erfahren und nach dem Entladen des Metalls wieder ihre beabsichtigte Form annehmen. Die sehr großen, anscheinend elastischen Dehnungen beruhen auf dem durch Spannung hervorgerufenen martensitischen Effekt, bei dem sich die Kristallstruktur unter Belastung transformieren kann, wodurch sich die Form unter Belastung vorübergehend ändern kann. Dies bedeutet, dass Brillen aus Formgedächtnislegierungen robuster gegen versehentliches Beschädigen sind.

Orthopädische Operation
In der orthopädischen Chirurgie wurde Memory-Metall als Fixationskompressionsvorrichtung für Osteotomien verwendet, typischerweise für Eingriffe an der unteren Extremität. Das Gerät, meist in Form einer großen Klammer, wird in seiner formbaren Form in einem Kühlschrank aufbewahrt und über eine Osteotomie in vorgebohrte Löcher im Knochen implantiert. Wenn sich die Klammer erwärmt, kehrt sie in ihren nicht verformbaren Zustand zurück und drückt die knöchernen Oberflächen zusammen, um die Vereinigung der Knochen zu fördern.

Zahnheilkunde
Das Anwendungsspektrum für SMAs ist im Laufe der Jahre gewachsen. Ein Hauptanwendungsbereich ist die Zahnmedizin. Ein Beispiel ist die Prävalenz von Zahnspangen mit SMA-Technologie, um konstante Zahnbewegungskräfte auf die Zähne auszuüben. Der Nitinolbogen wurde 1972 vom Kieferorthopäden George Andreasen entwickelt. Dies revolutionierte die klinische Kieferorthopädie. Die Legierung von Andreasen besitzt ein gemustertes Formgedächtnis, das sich aufgrund seiner geometrischen Programmierung innerhalb vorgegebener Temperaturbereiche ausdehnt und zusammenzieht.

Harmeet D. Walia verwendete die Legierung später zur Herstellung von Wurzelkanalfeilen für die Endodontie.

Wesentlicher Tremor
Traditionelle aktive Aufhebungstechniken zur Tremorverringerung verwenden elektrische, hydraulische oder pneumatische Systeme, um ein Objekt in die der Störung entgegengesetzte Richtung zu betätigen. Diese Systeme sind jedoch aufgrund der großen Infrastruktur, die erforderlich ist, um große Amplituden der Leistung bei menschlichen Tremorfrequenzen zu erzeugen, begrenzt. SMAs haben sich als eine effektive Betätigungsmethode in Handheld-Anwendungen erwiesen und haben eine neue Klasse für aktive Tremor-Unterdrückungsvorrichtungen ermöglicht. Ein aktuelles Beispiel für ein solches Gerät ist der Liftware-Löffel, der von der Verily Life Sciences-Tochter Lift Labs entwickelt wurde.

Motoren
Experimentelle Festkörper-Wärmekraftmaschinen, die aufgrund der relativ geringen Temperaturunterschiede in Kalt- und Warmwasserspeichern arbeiten, wurden seit den 70er Jahren entwickelt, einschließlich der von Ridgway Banks entwickelten Banks Engine.

Kunsthandwerk
In kleinen runden Längen für den Einsatz in fixierungsfreien Armbändern erhältlich.

Materialien
Die hauptsächlich als Formgedächtnislegierungen verwendeten Materialien, die auch als kryogene Materialien bezeichnet werden, sind NiTi (Nickel-Titan, Nitinol) und mit noch besseren Eigenschaften NiTiCu (Nickel-Titan-Kupfer). Beide werden am wahrscheinlichsten als Aktuatormaterialien verwendet. Von einer exakten Stöchiometrie (quantitatives Verhältnis) sind die Umwandlungstemperaturen abhängig. Bei einem Nickelgehalt von weniger als 50 Atomprozent liegt er bei etwa 100 ° C. Wenn der Nickelgehalt der Legierung variiert wird, ist es möglich, bei Raumtemperatur ein pseudoelastisches oder pseudoplastisches Verhalten als Austenit oder Martensit zu erzeugen.

Andere Materialien auf Kupferbasis sind CuZn (Kupfer-Zink), CuZnAl (Kupfer-Zink-Aluminium) und CuAlNi (Kupfer-Aluminium-Nickel). Obwohl sie billiger sind, weisen beide höhere Umwandlungstemperaturen und ein schlechtes Formgedächtnis auf. Sie werden insbesondere in der Medizintechnik eingesetzt. Weniger verbreitet sind FeNiAl (Eisen-Nickel-Aluminium), FeMnSi (Eisen-Mangan-Silizium) und ZnAuCu (Zink-Gold-Kupfer).

Eine Vielzahl von Legierungen zeigen den Formgedächtniseffekt. Legierungsbestandteile können eingestellt werden, um die Umwandlungstemperaturen des SMA zu steuern. Einige gängige Systeme umfassen Folgendes (keinesfalls eine erschöpfende Liste):

Ag-Cd 44/49 at.% Cd
Au-Cd 46,5 / 50 at.% Cd
Cu-Al-Ni 14 / 14,5 Gew .-% Al und 3 / 4,5 Gew .-% Ni
Cu-Al-Ni-Hf
Cu-Sn ca. 15 at% Sn
Cu-Zn 38,5 / 41,5 Gew .-% Zn
Cu-Zn-X (X = Si, Al, Sn)
Fe-Pt ca. 25 at.% Pt
Mn-Cu 5/35 at% Cu
Fe-Mn-Si
Co-Ni-Al
Co-Ni-Ga
Ni-Fe-Ga
Ti-Nb
Ni-Ti ca. 55–60 Gew .-% Ni
Ni-Ti-Hf
Ni-Ti-Pd
Ni-Mn-Ga