Vormgeheugenmaterialen: Hoe ze buigen, terugvinden en transformeren onder warmte

Vandaag brengen we u op onze blog een materiaalsoort met toenemend belang: vormgeheugenmaterialen.

Deze materialen hebben de bijzondere eigenschap dat ze vervormd kunnen worden en later hun oorspronkelijke vorm herstellen wanneer er een externe stimulus wordt toegepast (meestal temperatuur). Zoals we eerder in een ander artikel noemden, handelt het zich om een slim materiaal.

Als voorbeeld: wie heeft niet wel eens een bestekje of een speld gebogen? Kunt u zich voorstellen dat ze hun oorspronkelijke vorm terugvinden door ze op de radiator te leggen? Met dit type materialen is dat mogelijk, en de voordelen blijven daar niet bij.

Wat is het?

Zoals gezegd kunnen vormgeheugenmaterialen, na een vervorming te hebben ondergaan, hun oorspronkelijke vorm terugkrijgen. Als we het zo beschrijven, lijkt het gedrag op dat van elastische materialen, maar in de praktijk zijn ze heel anders. Hun uniekheid ligt in het feit dat wanneer de kracht die de vervorming veroorzaakt verdwijnt, de vervormde vorm behouden blijft, en het noodzakelijk is de temperatuur van het materiaal te verhogen zodat het terugkeert naar zijn oorspronkelijke toestand.

Dit herstel van de oorspronkelijke vorm door temperatuur komt door de verandering in de interne structuur van het materiaal. Deze materialen neigen ertoe een laminaire en fibrillaire rangschikking te hebben bij lage temperatuur, wat vervormingen gemakkelijk toestaat, omdat sommige lagen ten opzichte van elkaar kunnen bewegen; dit heet de martensitische toestand. Bij verwarming begint het materiaal zelf een veel meer rigide kubieke rangschikking te krijgen, wat geen beweging meer van het materiaal toestaat en dus ook geen vervormingen; dit heet de austenitische toestand. Deze overgang van de laminaire structuur naar de kubieke structuur heeft zoveel kracht dat het het materiaal terugbrengt naar zijn oorspronkelijke vorm en alle geleden vervormingen ongedaan maakt. Zodra de temperatuur weer daalt, rangschikt het materiaal zich opnieuw in een laminaire vorm en kan het opnieuw vervormd worden. Dit proces is kenmerkend voor de atomaire rangschikking van het materiaal, wat betekent dat het oneindig vaak herhaald kan worden zonder het gedrag te beïnvloeden, en zo bijvoorbeeld mechanische breuken door slijtage of vermoeidheid in sensoren of kleppen voorkomt.

Waarvoor dienen vormgeheugenmaterialen in het bedrijf?

Om deze materialen van de martensitische fase naar de austenitische fase te brengen, is het, zoals gezegd, nodig hun temperatuur te verhogen. Dit kan door warmte toe te voeren, of zeer handig, door elektriciteit toe te passen. Het feit dat de temperatuur van deze materialen verhoogd of verlaagd kan worden met elektriciteit, maakt ze ideale kandidaten om als actuatoren of sensoren te fungeren. Het herstel van de vervormingen is altijd hetzelfde bij dezelfde temperatuur, wat betekent dat ze kunnen dienen als zeer nauwkeurige actuatoren en sensoren. Bovendien verlopen de vervormingen die meestal in deze materialen optreden sneller dan in andere materialen die regelmatig in dit type toepassingen worden gebruikt.

We bespraken dat vormveranderende materialen hun oorspronkelijke vorm terugkrijgen bij warmte, en daarna opnieuw vervormd kunnen worden. Dit is handig voor sommige toepassingen, maar in andere, zoals actuatoren, is wat nodig om van de ene positie naar de andere te veranderen, waarbij beide vaste posities zijn. Is dat mogelijk? Het antwoord is ja, want er zijn vormveranderende materialen die twee vormgeheugens vertonen bij verschillende temperaturen. Hierdoor kan de geometrie van het materiaal ingesteld worden bij twee verschillende en bekende temperaturen, wat zeer handig is.

Typen vormmaterialen

De meest gebruikte vormgeheugenmaterialen tot nu toe zijn die van metallische aard. Daaronder is het zogenaamde Nitinol (legering van nikkel en titanium) een van de meest gebruikte vanwege zijn goede eigenschappen. Toch zijn er andere metaallegeringen die ook vormgeheugen vertonen, zoals legeringen van koper, zink en aluminium (Cu-Zn-Al); koper, aluminium en nikkel (Cu-Al-Ni); of ijzer, mangaan en silicium (Fe-Mn-Si).

Tot voor kort waren deze typen materialen alleen van metallische aard verkrijgbaar, maar onderzoek op dit gebied in de afgelopen jaren heeft geleid tot het ontstaan van kunststof vormgeheugenmaterialen. Deze zijn, vanwege hun kunststofaard, veelbelovend, bijvoorbeeld in toepassingen waar lichtere onderdelen gewenst zijn. Ook vormveranderende of zelfherstellende kunststofmaterialen hebben eigenschappen die lijken op vormgeheugenmaterialen.

Andere typen vormmaterialen die nog onderzocht worden en nog niet wijdverspreid in gebruik zijn, zijn vormgeheugen keramieken en vormgeheugen ferromagnetische materialen. Toch zijn we ervan overtuigd dat in de toekomst al deze typen materialen een grote impact zullen hebben.

Toepassingen

Hier tonen we enkele voorbeelden van toepassingen:

Een van de toepassingen die nu begint uit te breiden is het gebruik van deze materialen om pijpen te verbinden, zonder laswerk nodig te hebben. Het principe is simpel: u neemt een vormgeheugenmateriaal, plaatst het binnenin de buizen, en verwarmt het vervolgens zodat het zijn oorspronkelijke vorm met een grotere diameter herstelt, om de buizen stevig te fixeren. De druk die het materiaal van binnenuit op de buizen uitoefent, zorgt ervoor dat ze aan elkaar plakken en erg moeilijk te scheiden zijn; in sommige gevallen weerstaan ze beter dan lassen.

Hetzelfde principe wordt bijvoorbeeld gebruikt in de gezondheidszorg om verstoppingen open te maken in het lichaam. Kleine stents worden gemaakt die in verstopte aderen of bloedvaten kunnen worden geplaatst, en bij contact met lichaamswarmte vouwen ze open, waardoor het bloed weer kan stromen.

Dit zijn enkele toepassingen in tubulaire geometrieën, maar hun toepassingsgebied en mogelijke geometrieën zijn zeer wijd. Zo kan het toegepast worden op de carrosseries van auto's of vliegtuigen, om hun geometrie te wijzigen tijdens het rijden/vliegen en zo de aerodynamiek te verbeteren, wat brandstofbesparing oplevert. Als we aan actuatoren denken, wier functie is om van de ene positie naar de andere te bewegen, dan zou de grote meerderheid in de toekomst van vormveranderende materialen kunnen worden gemaakt!

Op dit moment vindt u vormgeheugenmaterialen in medische apparatuur en gezondheidszorgbenodigdheden, van tandimplantaten tot chirurgische instrumenten (ze zijn gemakkelijk te steriliseren). Ook in alledaagse voorwerpen, zoals busteensteunen met stalen draden, die lichaamswarmte gebruiken om hun vorm terug te vinden, of in matrassen, die hun vorm herstellen na vervorming door erop te zitten. Omdat deze materialen licht, weerstandskrachtig en in staat zijn om bij hoge temperaturen te werken, worden ze ook veel gebruikt in luchtvaartcomponenten zoals raketten en ruimtesondes.

Vanwege al de mogelijke toepassingen en voordelen die deze materialen bieden, geloven we dat ze in de komende jaren nog veel zullen doen praten en we ze steeds vaker in producten zullen tegenkomen, zonder het te beseffen, omdat ze in volle opmars zijn en steeds meer bestudeerd worden.

Vond u de blog interessant? Wilt u meer weten over vormgeheugenmaterialen? Aarzel niet en neem contact met ons op!