-
Technischer
Hintergrund
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein funktionelles Verbundmaterial
unter Verwendung von Formgedächtnislegierungen
und auf ein Verfahren zur Herstellung desgleichen.
-
Hintergrund
der Erfindung
-
Mehrere
Studien hinsichtlich der Anwendung von funktionellen Verbundmaterialien
unter Verwendung von Formgedächtnislegierungen
sind bisher aufgestellt worden. Es ist bekannt, dass der Gehalt
an Spannung in einem Epoxyharz durch Einbetten eines vorgespannten
Drahtes aus einer Formgedächtnislegierung
relaxiert werden kann.
-
Falls
vorgespannte Drähte
einer Formgedächtnislegierung
in einer Matrix aus CFRP, GFRP, Al usw. eingebettet werden, ist
deren Funktion zur Vibrationskontrolle ebenfalls bekannt, sowie
dass die Entwicklung von Ermüdungsrissen
verzögert
werden kann (japanische veröffentlichte,
nicht geprüfte
Patentanmeldungen
H09-317821 ,
H06-264161 ,
H07-48673 ,
H06-212018 ,
H09-176330 usw.).
-
Die
oben genannte bekannte Technik nutzt einen Effekt, wobei eine Reckdehnung,
die an die Drähte in
der Niedertemperatur-Martensitphase angelegt wird, verbleibt nachdem
die Spannung entfernt wurde, und dass die Drähte eine Rückumwandlung in die Originalphase
durchleben, wenn sie nach dem Formen aufgeheizt werden, so dass
der Verbund wieder seine Originalform ausbildet.
-
Dennoch
ist die Endtemperatur der Rückumwandlung
(Af) des derzeit verbreitet verwendeten, hitzebearbeiteten NITINOL
(Ti-50at%Ni) 100°C
oder weniger, während
hitzebeständiges
Epoxyharz bei einer Temperatur von 130°C oder mehr thermisch gehärtet wird.
Wenn solche TiNi-Drähte
in eine Matrix, wie CFRP, GFRP oder ein Epoxyharz, eingebettet und
durch Härten
geformt werden, übersteigt
dabei die Aushärtetemperatur
die Endtemperatur der Rücktransformation.
Wenn daher die vorgedehnten Drähte
während
des Verlaufs des thermischen Härtens
und Formens nicht befestigt werden, werden diese schrumpfen, so
dass der Formgedächtniseffekt
der TiNi-Drähte
danach nicht mehr zur Verfügung
steht.
-
Folglich
muss man beim gegenwärtigen
Verfahren eine Einspannvorrichtung verwenden, um die gegenüber liegenden
Enden des TiNi-Drahtes zu befestigen, so dass die Vordehnung während des
Aushärtens des
CFRP, GFRP oder Epoxyharzes, in welches die TiNi-Drähte eingebettet
werden, erhalten bleibt. Dadurch ergibt sich für die Verwendung von Drähten aus
Formgedächtnislegierung
in funktionellen Verbundmaterialien ein großes, praktisches Problem, da
Größe und Gestalt
dieser Materialien beträchtlich
eingeschränkt
sind.
-
Auch
im Fall, in dem durch Ziehen eine Vorspannung auf eine Formgedächtnislegierung
ausgeübt wird,
ist die erhaltene Spannung in der Martensitphase so gering, dass
sich dadurch ein Problem eines unzureichenden Effekts zur Erhöhung der
Festigkeit und Steifigkeit bei niedrigen Temperaturen ergibt.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ein funktionelles Verbundmaterial zur
Verfügung,
bei dem eine Formgedächtnislegierung
verwendet wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung desgleichen,
das die oben beschriebenen Nachteile nicht zeigt, wobei die Rückumwandlungstemperatur
der TiNi-Drähte
auf eine Temperatur, die höher
ist als die Aushärtungstemperatur
des Matrixmaterials, wie CFRP, GFRP oder Epoxyharz, durch Kaltumformen
der TiNi-Drähte
erhöht
wird, wodurch es ermöglicht
wird, die TiNi-Drähte
in das Harz einzubetten, ohne dass beide Enden eingespannt werden
müssen
und wodurch keine Rücktransformation
oder Schrumpfen der TiNi-Drähte
während
des Aushärtens
verursacht wird.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung
eines funktionellen Verbundmaterials zur Verfügung, wobei die Rücktransformationstemperatur
des TiNi-Drahtes in den Normalzustand durch Heizen des TiNi-Drahtes
erreicht wird, wobei ein elektrischer Strom für eine kurze Zeit hindurchgeströmt wird
und wodurch die Verwendung des Formgedächtniseffekts der TiNi-Drähte ermöglicht wird.
-
Die
vorliegende Erfindung stellt des weiteren ein funktionelles Verbundmaterial
unter Verwendung einer Formgedächtnislegierung
und ein Verfahren zur Herstellung desgleichen zur Verfügung, wobei
im Drahtherstellungsverfahren nur Drahtziehen durch Kaltumformung
erfolgt, um im Draht eine Vorspannung zu erzeugen und die Rückumwandlungstemperatur
zu erhöhen,
was zu einer wesentlichen Reduzierung der Herstellungskosten führt und
die Streckspannung in der Martensitphase des TiNi-Drahtes durch
die Kaltumformung erhöht,
wodurch ein Effekt zur Erhöhung
der Festigkeit und Steifigkeit des Drahtes erwartet werden kann.
-
OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
gegenwärtigen
Erfinder haben ein funktionelles Verbundmaterial und ein Verfahren
zur Herstellung desgleichen erfunden, wobei das Phänomen, dass
ein Draht aus einer Formgedächtnislegierung,
die eine Martensitphase oder durch Phasentransformationstemperatur
eine Austenitphase annehmen kann, wenn dieses kalt umgeformt wird
eine erhöhte
Rückumwandlungstemperatur
zeigt, und dass die Rückumwandlungstemperatur
wieder in den Normalzustand gebracht wird, wenn die Legierung rücktransformiert
ist (1).
-
In
einer typischen Ausführungsform
kann eine Kaltziehumformung eines Drahtes einer TiNi-Formgedächtnislegierung
in einer Martensitphase mit einer Kaltziehrate von mindestens 10
% oder mehr, vorzugsweise ungefähr
35%, eine Vorspannung generieren und die Rücktransformationstemperatur
desselben erhöhen. Wenn
solche Drähte
einer TiNi-Formgedächtnislegierung
in eine Matrix, wie jeweils CFRP, GFRP oder Epoxyharz, eingebettet
werden und durch thermisches Aushärten geformt werden, wurde
gefunden, dass ein funktionelles Verbundmaterial ohne die zwingende
Verwendung von Geräten
zur Kontrolle des Erhalts der Vorspannung des Drahtes der TiNi-Formgedächtnislegierung
hergestellt werden kann, da die Rückumwandlungstemperatur höher als
die Aushärtungstemperatur
ist. Tabelle
1
-
Tabelle
1 zeigt die Rückumwandlungstemperaturen,
gemessen mit einem Differential Scanning Calorimeter (DSC), von
Legierungen der Zusammensetzung von Ti-49,54At.%Ni, Ti-50At.%Ni
und Ti-50,SAt.%Ni. Als Ergebnis wurde gefunden, dass im Fall von
Ti-49,54At.%Ni die Starttemperatur der Rückumwandlung höher als
l30°C ist,
wenn die Kaltziehrate 20% beträgt.
Im Fall von Ti-50At.%Ni wurde gefunden, dass die Starttemperatur
der Rückumwandlung
höher als
130°C ist,
wenn die Kaltziehrate 35% beträgt.
Andererseits wurde im Fall vom Ti-50,5At.%Ni gefunden, dass die
Starttemperatur der Rückumwandlung
nur auf 70°C
ansteigt, selbst wenn die Kaltziehrate 35% beträgt. Es wurde gefunden, dass
die Rückumwandlungstemperatur
dieser Legierungen signifikant abnimmt, wenn diese ein zweites Mal
aufgeheizt werden.
-
Beispielsweise
zeigt 1 das Ergebnis
der Messung der Rücktransformationstemperatur
von Ti-50At.%Ni bei einer Kaltziehrate von 35%. Aus Vergleichsgründen wurden
die Ergebnisse der Messung der Rücktransformationstemperatur
von Ti-50At%Ni verschoben, um die Daten zusammen darzustellen. Beim
ersten Aufheizen ist der endotherme Peak, der die Rücktransformationstemperatur
anzeigt, sehr breit und auf die Seite höherer Temperaturen verschoben.
Beim zweiten Heizen ist der Rücktransformationspeak
scharf und der Temperaturbereich der Transformation kehrt in eine
Lage zurück,
die ähnlich
der der nicht kaltumgeformten Probe ist.
-
Des
weiteren wurden zum Zweck der genauen Bestimmung der Rückumwandlungstemperatur
der kaltumgeformten Legierung thermische Expansionsmessungen durchgeführt. Daher
zeigt 2 die Änderung der
Schrumpfdehnung, die durch Rückumwandlung
verursacht wurde, woraus ersichtlich ist, dass der Bereich der Rückumwandlungstemperatur
weit aufgeweitet ist und von 120°–210°C reicht.
Das Ergebnis dieser Messung zeigt auch, dass die Probe mit einer
Kaltziehrate von 35% eine spannbare Vordehnung von etwa 2,3% ergibt.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 zeigt das Ergebnis einer
Messung der Rückumwandlungstemperatur
einer Ti-50At.%Ni-Legierung mit einem Differentialscanning Thermometer.
Die Kurve 1 zeigt das Ergebnis der Messung der Rückumwandlungstemperatur
einer Probe, die bei 500°C
getempert wurde, damit diese ein reines Gedächtnis aufweist; 2 zeigt
das Ergebnis der ersten Aufheizung einer Probe mit der gleichen
Zusammensetzung, die mit einer Umformrate von 35% kalt umgeformt
wurde; und 3 zeigt die Ergebnisse der Messungen beim zweiten
Aufheizen einer kaltumgeformten Probe mit einer Umformrate von 35%.
-
2 zeigt die Ergebnisse einer
thermischen Expansionsmessung, wobei die Änderungen der Schrumpfdehnung
durch Rückumwandlung
von Ti-50At.%Ni-Draht
mit einer Kaltziehrate von 35% gemessen wurden.
-
3 zeigt die Ergebnisse der
Messung der Erholungsspannung und die Drahtoberflächentemperatur eines
Ti-50At.%Ni-Drahtes mit einer Kaltziehrate von 35% während des
Aufheizen des Drahtes durch Durchströmen mit einem elektrischen
Strom und des Abkühlens
des Drahtes nach Ausschalten des Stroms, wobei der Draht eingespannt
ist.
-
4 zeigt das Ergebnis der
Erholungsspannung und der Drahtoberflächentemperatur eines Ti-50At.%Ni-Drahtes
mit einer Kaltziehrate von 35% während
des Heizeuns des Drahtes durch Durchströmen mit einem elektrischen
Stroms und des Abkühlens
des Drahtes nach Abschalten des Stroms, wobei das Aufheizen bei
unterschiedlichen elektrischen Strömen durchgeführt wurde,
nachdem der Draht durch Durchströmen
eines elektrischen Stroms von 3 Ampere über 4 Sekunden aufgeheizt worden
war.
-
5 demonstriert den Effekt
der Kaltumformung zur Erhöhung
der Festigkeit und Steifigkeit bei Raumtemperatur, wobei 5(a) die Spannungsdehnungsbeziehung
eines Probedrahts, gemessen anhand eines Zugversuchs, zeigt, wobei
das herkömmliche
Verfahren simuliert wurde, indem ein Probedrahts einer Ti-50At.%Ni-Legierung
bei 500°C
weichgeglüht,
um 2% vorgespannt und im eingespannten Zustand aufgeheizt wurde,
gefolgt von Abkühlen
auf Raumtemperatur, und 5(b) zeigt
das Spannungsdehnungsverhältnis
eines Probedrahtes, gemessen mit einem Zugversuch bei Raumtemperatur,
der durch 2 Stunden tempern eines Ti-50At.%Ni-Drahtes mit einer Kaltziehrate
von 35% und der gleichen Zusammensetzung wie oben bei 130°C, anschließendem Aufheizen
des Drahtes unter eingeschränkter
Lage und kurzzeitigem Durchströmen eines
elektrischen Stroms erhalten wurde.
-
6 zeigt die Ergebnisse der
Messungen der Rückumwandlungstemperatur
einer kaltumgeformten Ti-50At.%Ni Legierung, die 2 Stunden bei 130°C getempert
wurde, mit einem differential scanning Thermometer. Die Kurve 1 zeigt
die Ergebnisse der Messungen bei einem ersten Heizen einer As-kaltumgeformten
Probe; 2 zeigt die Ergebnisse der Messungen beim ersten
Aufheizen einer Probe, die kaltumgeformt und anschließend für 2 Stunden
bei 130°C
wännebehandelt
wurde; und 3 zeigt die Ergebnisse der Messungen beim zweiten
Aufheizen der kaltumgeformten Probe nach der Wärmebehandlung bei 130 °C während 2
Stunden.
-
7 zeigt die Ergebnisse der
Messungen der Erholungsspannung und Drahtoberflächentemperatur eines Drahtes,
der kaltumugeformt, dann 2 Stunden bei 130°C getempert und anschließend durch
Hindurchströmen
verschiedener elektrischer Ströme
aufgeheizt wurde, wobei der Draht während des Abkühlens des Drahtes
nach dem Abschalten des Stroms eingespannt wurde.
-
8 zeigt die Ergebnisse der
Messungen der Spannungserholung und Drahtoberflächentemperatur eines Drahtes,
der kaltumgeformt und anschließend
2 Stunden bei 130°C
getempert wurde, dann durch Hindurchströmen eines elektrischen Stroms
von 2,8 Ampere für
2 Sekunden aufgeheizt und schließlich durch Hindurchströmen verschiedener
elektrischer Ströme
geheizt wurde, während
des Abkühlens
des Drahtes nach dem Ausschalten des Stroms.
-
9(a) zeigt die Ergebnisse
der Betrachtung einer Querschnittsfläche eines in CFRP einbetteten Drahtes
mit SEM.
-
9(b) zeigt eine vergrößerte Ansicht
der Grenzregion zwischen dem Draht und dem CFRP.
-
Bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung
-
Das
funktionelle Verbundmaterial und das Verfahren zur Herstellung desgleichen
wurde auf Basis der Ergebnisse der oben beschriebenen Studien erfunden.
Ein Verfahren zur Herstellung eines funktionellen Verbundmaterials
unter Verwendung eines kaltumgeformten Drahtes einer TiNi-Legierung
wird unten genau beschrieben. Die vorliegende Erfindung liefert
ein Verfahren zum Erhalt einer Formerinnerungskraft, welches das Heizen
einer kaltumgeformten, eingebetteten TiNi-Legierung durch Hindurchströmen eines
elektrischen Stroms aufweist.
-
Es
besteht das Problem, dass solange der in einer Matrix eingebettete
und gehinderte Draht nicht rücktransformiert
ist, die Rücktransformationstemperatur
nicht auf den normalen Zustand zurückgeführt ist, und somit die Erholungskraft
nicht verwendet werden kann. Um eine kaltumgeformte Probe rückumzuformen, ist
es nötig,
die Probe auf Endtemperatur der Rückumwandlung aufzuheizen (die
bei ungefähr
210°C liegt wenn
die Kaltumformungsrate 35% beträgt).
Da diese Temperatur höher
ist, als die Aushärtetemperatur
der Matrix, besteht die Gefahr, dass die Eigenschaften der Matrix
während
des Heizens nachteilig beeinflusst werden. Die gegenwärtigen Erfinder
haben ein spezielles Heizverfahren entwickelt, das die Tatsache,
dass die Rückumwandlung
eine endotherme Reaktion ist, ausnutzt.
-
Speziell
wird ein eingebetteter TiNi-Draht einmal für eine sehr kurze Zeit durch
Hindurchströmen
eines großen
elektrischen Stroms aufgeheizt. Die Stromversorgung wird abrupt
unterbrochen. Da die Rückumwandlung
eine endotherme Reaktion ist und die Stromzufuhr im allgemeinen
innerhalb von 10 Sekunden, vorzugsweise innerhalb von 5 Sekunden,
noch bevor die Temperatur in einem Bereich benachbart zur Drahtoberfläche erhöht ist,
gestoppt wird, ist in diesem Fall der Einfluss der Hitze auf die
Matrix um den Draht klein. Durch diese Hitzebehandlung kehrt die
Rückumwandlungstemperatur
des Ti-Ni Drahtes zum normalen Zustand zurück. Die Erholungskraft ist
dann durch Heizen mit einem geringen elektrischen Strom erreichbar.
-
Beispielsweise
zeigt 3 die Ergebnisse
der Messung der Spannungserholung und Drahtoberflächentemperatur
eines Ti-SOAt.%Ni-Drahtes (Durchmesser: 0,4 mm) mit einer Kaltumformungsrate
von 35% während
des Heizens des Drahtes durch Hindurchströmen eines elektrischen Stroms,
wobei der Draht eingespannt ist. Beim ersten Heizen fließt während 4
Sekunden ein Strom von 3 Ampere. In diesem Fall wurde gefunden,
dass die maximale Temperatur der Drahtoberfläche nicht höher als 100°C war.
-
Während des
zweiten und dritten Aufheizens, jeweils durch das Strömen eines
Stroms von 2 Ampere, wurde gefunden, dass eine konstante Erholungskraft
erhalten wird. Aus 3 ist
ersichtlich, dass, wenn der Draht sich nach dem ersten Aufheizen
durch kurzzeitigen Stromfluss wieder bei Raumtemperatur befindet, eine
Erholungsspannung von mehr als 100 Pascal erhalten werden kann.
-
Im
Vergleich zum herkömmlichen
Verfahren, bei dem ein TiNi-Draht durch Ziehen vorgespannt und anschließend in
eine Matrix gebettet wird, während
dieser fixiert ist, kann durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung,
bei dem eine Kaltumformung durchgeführt wird, ein Effekt erzielt
werden, wodurch die Festigkeit und Steifigkeit bei Raumtemperatur
erhöht
wird.
-
5(a) zeigt die Spannungsdehnungsbeziehung
eines Probedrahts, gemessen anhand eines Zugversuchs, wobei das
herkömmliche
Verfahren simuliert wurde, indem ein Probedrahts einer Ti-SOAt.%Ni-Legierung
bei 500°C
weichgeglüht,
um 2% vorgespannt und im eingespannten Zustand aufgeheizt wurde,
gefolgt von Abkühlen
auf Raumtemperatur. Es kann beobachtet werden, dass die Streckspannung
200 MPa oder weniger ist, und die Spannungszunahme, selbst bei einem
Zug von 4%, nur gering ist.
-
Andererseits
zeigt 5(b) das Spannungsdehnungsverhältnis eines
Probedrahtes, gemessen mit einem Zugversuch bei Raumtemperatur,
der durch 2 Stunden tempern bei 130°C eines Ti-50At.%Ni-Drahtes
mit einer Kaltziehrate von 35% und der gleichen Zusammensetzung
wie oben, anschließendem
Aufheizen des Drahtes unter eingeschränkter Lage und kurzzeitigem
Durchströmen
eines elektrischen Stroms, erhalten wurde. Es wurde gefunden, dass,
im Vergleich mit dem Fall aus 5(a),
die erhaltene Spannung im Spannungstest erhöht wurde, und dass die Dehnung
bei Zunahme der Spannung bedeutend ansteigt. Diese Ergebnisse weisen
darauf hin, dass kaltumgeformter TiNi Draht dem Verbundmaterial
einen bedeutend verbesserten Versteifungseffekt bei niedrigeren
Temperaturen vermittelt.
-
Zum
Zweck dieser Erfindung kann jede Formgedächtnislegierung verwendet werden,
solange die Legierung in der Lage ist, durch Phasenumwandlungstemperaturen
eine Maresitphase oder einer Austhenitphase anzunehmen. In der vorliegenden
Erfindung wird die Rückumwandlungstemperatur
von TiNi Drähten
durch geeignetes kaltumformen eines TiNi Drahtes auf eine Temperatur
erhöht,
die höher
ist als die Aushärtetemperatur
eines Matrixmaterials, wie CFRP, GFRP oder ein Epoxyharz. Dadurch
kann der TiNi Draht in ein Harz eingebettet werden, ohne beide Enden davon
zu befestigen, und ohne das Auslösen
einer Rücktransformation des
TiNi Drahtes während
des Aushärtens.
-
Des
weiteren kann die Rückumwandlungstemperatur
des TiNi Drahtes auf normale Werte zurückgeführt werden, indem der TiNi
Draht kurzzeitig durch Hindurchströmen eines elektrischen Stroms
aufgeheizt wird. Daher ist es möglich,
ein funktionelles Verbundmaterial herzustellen, das die Verwendung
der Formgedächtniseffektes
des TiNi Drahtes erlaubt.
-
Des
weiteren wird erwartet, dass durch ausschließliche Anwendung des Drahtziehens
im Drahtherstellungsverfahren durch Kaltumformung, um im Draht eine
Vorspannung zu erzeugen, sowie durch Anpassen der Rücktransformationstemperaturen
die Herstellungskosten wesentlich reduziert werden.
-
Die
Harzmatrix, die für
den Zweck der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist typischerweise
ein Epoxyharz. Andere, thermisch aushärtende Harze, wie Phenolharze
und Polyamidharze, können
ebenso als Harzmatrix verwendet werden. Des weiteren kann ein thermoplastisches
Harz verwendet werden, falls die gewünschte Festigkeit erreichbar
ist. Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden zusammengefasst.
- 1. Funktionelles Verbundmaterial, dadurch gekennzeichnet,
dass Drähte
einer Formgedächtnislegierung
in einer Martensitphase, umgeben von einer Harzmatrix, geformt werden,
und dass die Drähte
der Formgedächtnislegierung
hergestellt werden, indem man eine Formgedächtnislegierung, die eine Martensitphase oder
durch Phasenumwandlungstemperaturen eine Austenitphase annehmen
kann, einer Kaltziehumformung unterwirft.
- 2. Funktionelles Verbundmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Drähte
der Formgedächtnislegierung
in der Martensitphase so bearbeitet wurden, dass sie eine Kaltziehrate
von mindestens 10% haben.
- 3. Funktionelles Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 oder
2, wobei ein oder zumindest zwei Bestandteile, ausgewählt aus
der Gruppe, bestehend aus kohlefaserverstärktem Kunststoff und glasfaserverstärktem Kunststoff,
zusätzlich
zur Formgedächtnislegierung
verwendet werden.
- 4. Funktionelles Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis
3, wobei die Formgedächtnislegierung eine
auf Ti-Ni basierte Legierung ist.
- 5. Funktionelles Verbundmaterial nach Anspruch 4, wobei die
auf Ti-Ni basierte Legierung Ti-49,45At.%Ni, Ti-50At.%Ni oder Ti-50,SAt.%Ni
ist.
- 6. Funktionelles Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis
5, wobei ein elektrischer Strom durch die Drähte der Formgedächtnislegierung
geströmt
wird, um diese Drähte
auf eine Temperatur über
der Phasenrückumwandlungstuemperatur
aufzuheizen, um die Martensit-Rückumwandlung
zu bewirken, so dass die Rückumwandlungstemperatur
normalisiert wird, und wobei die Drähte anschließend auf
eine Temperatur über
der Phasenumwandlungstemperatur aufgeheizt werden, so dass in den
Drähten
eine Schrumpfkraft verursacht wird.
- 7. Funktionelles Verbundmaterial nach Anspruch 6, wobei der
elektrische Strom durch einen Teil der Drähte der Formgedächtnislegierung
geströmt
wird, so dass eine Schrumpfkraft in diesem Teil der Drähte verursacht
wird.
- 8. Verfahren zur Herstellung von funktionellem Verbundmaterial,
dadurch gekennzeichnet, dass die Drähte der Formgedächtnislegierung,
die einer Kaltziehumformung unterzogen wurden, in eine Harzmatix
eingebettet und bei einer Temperatur unterhalb der Phasenumwandlungstemperatur
geformt werden.
- 9. Verfahren zur Herstellung von funktionellem Verbundmaterial
nach Anspruch 8, wobei die Phasenumwandlungstemperatur im Bereich
von 100 bis 130°C
liegt.
- 10. Verfahren zur Herstellung von funktionellem Verbundmaterial
nach Anspruch 8 oder 9, wobei kohlefaserverstärkter Kunststoff oder glasfaserverstärkter Kunststoff
zusammen mit den Drähten
der Formgedächtnislegierung
verwendet wird.
- 11. Verfahren zur Herstellung von funktionellem Verbundmaterial
nach einem der Ansprüche
8 bis 10, wobei kurzzeitig ein elektrischer Strom durch die Drähte der
Formgedächtnislegierung
geströmt
wird, um diese Drähte,
die einer Kaltziehumformung unterworfen und in eine Harzmatrix eingebettet
wurden, auf eine Temperatur über
der Rückumwandlungstemperatur
aufzuheizen, und wobei, direkt nachdem die Rückumwandlung stattgefunden
hat, der elektrische Strom abgeschaltet wird, um ungünstige Einflüsse der
Hitze auf die Harzmatrix zu minimieren.
-
Beispiel
-
Spezielle
Beispiele der vorliegenden Erfindung werden im folgenden beschrieben.
-
Ti-50At.%Ni
Drähte
(Durchmesser 0,4 mm) mit einer Kaltumformungsrate von 35% wurden
oberflächenbehandelt
(mit einer Säure
(HF oder HNO3)) und in CFRP (kohlefaserverstärkter Kunststoff)
eingebettet, um ein funktionelles Verbundmaterial mit schadenunterdrückenden
und vibrationskontrollierenden Eigenschaften zu erhalten.
-
Zum
Formen wird CFRP über
2 Stunden bei 130°C
getempert. Daher wurde ein kaltumgeformter Draht bei 130°C 2 Stunden
getempert und anschließend
bezüglich Änderungen
der Rückumwandlungstemperatur vermessen.
Die Ergebnisse wurden in 6 dargestellt.
Diese Ergebnisse bestätigen,
dass ein kaltumgeformter Draht durch die 2 ständiges Tempern bei 130°C kaum rückumgewandelt
wird.
-
Ähnliche
Drähte
wurde nach 2stündiger
Tempern bei 130°C
in eingespanntem Zustand durch Hindurchströmen verschiedener elektrischer
Ströme
aufgeheizt, wobei deren Erholungsspannung und Oberflächentemperatur
gemessen wurde, um so ein optimales Verfahren zum Durchströmen mit
Strom zu erhalten. Die Ergebnisse sind in 7 und 8 gezeigt,
wobei beobachtet werden kann, dass der Ti-50At.%Ni-Draht mit einer
Kaltumformungsrate von 35%, eingebettet in CFRP, eine stabile Schrumpfspannung
von etwa 220 MPa zeigt, wenn dieser durch Stromfluss aufgeheizt
wurde.
-
Des
weiteren zeigen die 7 und 8, dass nach dem ersten,
kurzzeitigen Heizen durch Stromfluss eine Erholungsspannung von
ungefähr
70 MPa bei Raumtemperatur erhalten werden kann. Somit wurde gefunden,
dass in einem kaltumgeformten Draht, der in CFRP eingebettet und
kurzzeitig durch Hindurchfließen eines
geeigneten, elektrischen Stroms aufgeheizt wurde, zu einem gewissen
Grad bei Raumtemperatur eine Schrumpfspannung erzeugt wurde, wodurch
angezeigt wird, dass dem Material schadensunterdrückende Eigenschaften
verliehen werden.
-
9(a) zeigt die Ergebnisse
einer SEM-Aufnahme von einer Schnittfläche aus CFRP in das ein Draht eingebettet
wurde, und 9(b) zeigt
einen vergrößerten Ausschnitt
des Grenzgebietes zwischen dem Draht und dem CFRP. Dies bestätigt, das
Heizen durch kurzzeitiges Hindurchfließen eines elektrischen Stroms
von 3 Ampere nicht zum Schmelzen des Matrixharzes oder zur Bildung
von Rissen in der Umgebung führt.
-
Gewerbliche
Anwendbarkeit
-
Gemäß der vorliegenden
Erfindung, in der die Rückumwandlungstemperatur
und Vorspannung einer Formgedächtnislegierung
durch Kaltumwandlung und Wärmebehandlung
durch Stromfluss kontrolliert wird, ist es möglich ein funktionelles Verbundmaterial
zu erhalten, dass die Verwendung einer stabilen Erholungskraft der
Formgedächtnislegierung
erlaubt, ohne die Verwendung einer Vorrichtung zum Befestigen beider
Enden der Legierung zum Bewahren der Vorspannung. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es möglich,
unterschiedliche Formen und Größen eines
funktionellen Verbundmaterials unter Verwendung einer Formgedächtnislegierung
herzustellen. In der vorliegenden Erfindung können, da nur das Drahtziehen
im Drahtherstellungsverfahren verwendet wird, um eine Vorspannung
im Formgedächtnisdraht
zu generieren, die Herstellungskosten bedeutend gesenkt werden.
-
Zusammenfassung
-
Funktionelles
Verbundmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass Drähte einer Formgedächtnislegierung in
einer Martensitphase, umgeben von einer Harzmatrix, geformt werden,
und dass die Drähte
der Formgedächtnislegierung
hergestellt werden, indem man eine Formgedächtnislegierung, die eine Martensitphase oder
durch Phasenumwandlungstemperaturen eine Austenitphase annehmen
kann, einer Kaltziehumformung unterwirft. Die Verwendung des Materials
erlaubt eine problemlose Bewegung, die in der Formgedächtnislegierung
abgespeichert ist.
