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SPP 1239:  Änderung von Mikrostruktur und Form fester Werkstoffe durch äußere Magnetfelder

Fachliche Zuordnung Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
Mathematik
Physik
Förderung Förderung von 2006 bis 2013
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 18470518
 
Aktuell technisch eingesetzte adaptive Materialien wie Piezokeramiken oder magnetostriktive Materialien können ihre Form durch das Anlegen elektrischer bzw. magnetischer Felder verändern und erreichen dabei relative Längenänderungen von 0,1 bis 0,2 Prozent. Besonders die Entwicklung piezoelektrischer Funktionswerkstoffe war wesentliche Voraussetzung für eine Vielzahl von Innovationen. Anwendungen reichen vom Rastertunnelmikroskop bis hin zu neuartigen Einspritzventilen. Eine weitere Gruppe der adaptiven Materialien stellen die Formgedächtnislegierungen dar, in denen reversible Formänderungen durch Variation der Temperatur erzielt werden können. Grundlage dieses Effektes ist dabei die Phasenumwandlung zwischen der Hochtemperaturphase "Austenit" und Tieftemperaturphase "Martensit". An Einkristallen spezieller ferromagnetischer Formgedächtnisslegierungen wurde 1996 zudem ein grundsätzlich neuer Mechanismus für Formgedächtniseffekte in der Martensitphase entdeckt. Es wurde beobachtet, dass bereits ein vergleichsweise geringes Magnetfeld (<1 Tesla) zum Verschieben von im Material vorhandenen Zwillingsgrenzen ausreichend sein kann. Da die Zwillingsgrenzen Bereiche unterschiedlicher Kristallorientierungen voneinander trennen, kommt es bei deren Verschiebung zu einer Umorientierung des Kristalls. So kann sowohl die Mikrostruktur als auch die Probenform durch magnetische Felder kontrolliert werden. Die dabei beobachtete Längenänderung von bis zu 10 Prozent ist, gegenüber magnetostriktiven oder piezoelektrischen Materialien, um zwei Größenordnungen höher. Die einzigartige Kombination von sehr großer Dehnung, hoher Leistungsdichte und relativ hoher Schaltfrequenz in magnetischen Formgedächtnislegierungen ermöglicht neuartige Anwendungen, die mit den konventionellen adaptiven Materialien nicht realisierbar sind.
Im Themenbereich A des Schwerpunktprogramms 1239 werden die Grundlagen dieser Materialklasse untersucht. Insbesondere werden dabei Beschreibungen entwickelt, die die Kopplung von Mikrostruktur und Magnetismus von den atomistischen Vorgängen bis hin zu Bauteilen berücksichtigen. Darüber hinaus werden neue magnetische Formgedächtnislegierungen untersucht, die bessere Eigenschaften als die bisherigen Materialien erwarten lassen.
Im Themenbereich B werden neue, effizientere Herstellungsmethoden für massive Materialien entwickelt, die in neuartige Aktuatorsysteme integriert werden sollen. Ein weiterer Schwerpunkt liegt hier in der lateral und zeitlich hochaufgelösten Charakterisierung.
Im Teilbereich C werden Schichten mit geeigneter Mikrostruktur und Textur hergestellt. Ziel ist es hier, das hohe Minaturisierungspotenzial des magnetischen Formgedächtnisseffektes auszunutzen und neuartige Mikroaktuatorsysteme und Sensoren zu entwickeln.
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