Einführung in die Funktionswerkstoffe Kapitel 6: magnetische Formgedächtniswerkstoffe Prof. Dr. F. Mücklich, Dipl.-Ing. K. Trinh Organisatorisches: 15 min - Vorstellung - Teilnehmerliste: Name, eMail-Adresse Welche Erwartungen an die Vorlesungen haben Sie? Welche Erwartungen habe ich?  Zusammenfassung der Ergebnisse auf Overhead Details zur Klausur: Termin festlegen 1

Lernziele Kapitel 6: magnetische Formgedächtniswerkstoffe Was sind die Voraussetzungen für den magnetischen Formgedächtniseffekt? Wie funktioniert dieser Effekt? Was versteht man unter einer Heusler-Phase? Wie werden magnetische Formgedächtniswerkstoffe hergestellt?

Magnetische Formgedächtnislegierungen Voraussetzungen Große Differenz der Gitterkonstanten: Größtmögliche Dehnung hängt vom Grad der tetragonalen Verzerrung ab. Gemäß max = 1- c/a wird ein kleines c/a-Verhältnis bevorzugt! Hohe Anisotropieenergie: Hohe Anisotropieenergie als Triebkraft für magnetischen Formgedächtniseffekt (Unterschied zur Magnetostriktion ?) Einfache Drehung der Magnetisierungsvektoren erschwert. Zwillingsgrenzverschiebung energetisch günstiger! Hohe Sättigungsmagnetisierung Msat: Gleichgewicht zwischen mechanischer und magnetischer Energiedichte! Es ist: 0 = MsatH mit 0 als tetragonale Gitterverzerrung! Ein großes Msat führt zu einer Reduktion der Schaltfelder. Niedrige Zwillingsgrenzspannung: Magnetische Energiedifferenz als Triebkraft muss größer sein als die elastische Verzerrungsenergie bei der Bewegung der Zwillingsgrenzen. Niedrige Defektdichte wird gefordert (wenige Pinningzentren) - Verwendung von Einkristallen oder stark texturierten Polykristallen!

Magnetische Formgedächtnislegierungen Prinzip des magnetischen Formgedächtniseffektes

Magnetische Formgedächtnislegierungen Prinzip des magnetischen Formgedächtniseffektes Spontane Magnetisierung -> minimales Streufeld H=0 Neue Martensitorien tierung günstig orientiert Drehung der magn.Vektoren

Magnetische Formgedächtnislegierungen Strukturelle Verknüpfung Kerr-Effekt Änderung der opt. Eigenschaft eines Materials in äußerem B-Feld Lin. Polar. Licht auf Magnet Wird elliptisch pol. Drehwinkel = f(Magnetisierungsrichtung)

Wiederholung: Thermische Formgedächtnislegierungen Bereits seit längerem bekannt sind konventionelle Formgedächtnislegierungen. In diesen Verbindungen ändert sich bei der sogenannten Martensittemperatur die Kristallstruktur. Diese Strukturänderung ist zwar diffusionslos und daher schnell, jedoch reduziert die Abkühlzeit die maximal erreichbare Arbeitsfrequenz beträchtlich. Durch entsprechendes Training kann diese Strukturänderung auch mit einer reversiblen Formänderung verbunden werden. MIR tritt in der niedrigsymmetrischen martensitischen Phase auf. Da für MIR keine Temperaturänderung notwendig ist, können hohe Schaltfrequenzen erreicht werden. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass bei MIR nur die Mikrostruktur geändert wird, und nicht wie beim thermischen Formgedächtniseffekt eine Strukturänderung notwendig ist.

Magnetische Formgedächtnislegierungen Magnetisch induzierte Re-Orientierung von Zwillingen Ein wesentliche Voraussetzung für MIR ist, dass die Verschiebung der Zwillingsgrenze der energetisch günstigste Prozess ist. So muss z. B. die magnetische Anisotropie ausreichend hoch sein, damit es nicht zu der in weichmagnetischen Materialien üblicherweise beobachteten Drehung der Magnetisierung in Richtung des äußeren Feldes ohne Änderung der Mikrostruktur kommt.

Bewegung von Zwillingsgrenzen Magnetische Formgedächtnislegierungen Magnetisch induzierte Re-Orientierung von Zwillingen Bewegung von Zwillingsgrenzen keine Phasenumwandlung, lediglich Änderung der Mikrostruktur Benötigt: nicht-kubische Phase hohe magnetokristalline Anisotropie leicht bewegliche Zwillingsgrenzen Dehnungen ≤ 10% hohe Schaltfrequenzen http://www.magneticshape.de/deutsch/index_de.html In martensitischen Materialien besteht die Mikrostruktur aus unterschiedlich orientierten Kristallen, die martensitische Varianten genannt werden. Diese sind durch Zwillingsgrenzen verbunden, wie in der Abbildung unten dargestellt. Wenn die Materialien ferromagnetisch sind, wird für die Magnetisierung gewöhnlich eine spezifische kristallografische Richtung bevorzugt. Die Pfeile markieren die Magnetisierung, die entlang dieser sogenannten leichten Achse liegt. Magnetisch induzierte Reorientierung (MIR) kann auftreten, wenn die Zwillingsgrenzen zusätzlich noch leicht beweglich sind, so dass ein äußeres Magnetfeld sie verschieben kann. Das Ergebnis ist eine Änderung der Mikrostruktur und der äußeren Form.

Magnetische Formgedächtnislegierungen Magnetisch induzierter Martensit Magnetfeld favorisiert die Ferromagnetische Phase: Magnetischer Aktor Problem: Latente Wärme (magnetokalorischer Effekt) Wenn allerdings die kubische Hochtemperaturphase (Austenit) verglichen mit der Niedrigtemperaturphase (Martensit) ein anderes Moment aufweist, bevorzugt ein Magnetfeld die Phase mit dem höheren Moment. Das ermöglicht einen zweiten Aktuatormechanismus in der Nähe der Transformationstemperatur, der magnetisch induzierter Martensit (MIM) genannt wird (siehe untere Abbildung).

Magnetische Formgedächtnislegierungen Umorientierung der Martensitvarianten

Magnetische Formgedächtnislegierungen The magnetocaloric effect (MCE, from magnet and calorie) is a magneto-thermodynamic phenomenon in which a reversible change in temperature of a suitable material is caused by exposing the material to a changing magnetic field. This is also known by low temperature physicists as adiabatic demagnetization, due to the application of the process specifically to create a temperature drop. In that part of the overall refrigeration process, a decrease in the strength of an externally applied magnetic field allows the magnetic domains of a chosen (magnetocaloric) material to become disoriented from the magnetic field by the agitating action of the thermal energy (phonons) present in the material. If the material is isolated so that no energy is allowed to (re)migrate into the material during this time, i.e., an adiabatic process, the temperature drops as the domains absorb the thermal energy to perform their reorientation. The randomization of the domains occurs in a similar fashion to the randomization at the curie temperature, except that magnetic dipoles overcome a decreasing external magnetic field while energy remains constant, instead of magnetic domains being disrupted from internal ferromagnetism as energy is added. Unter dem magnetokalorischen Effekt versteht man das Phänomen, dass sich ein Material erwärmt, wenn man es einem starken Magnetfeld aussetzt, und es sich abkühlt, wenn man das Magnetfeld entfernt. Der Effekt entsteht durch die Ausrichtung der magnetischen Momente des Materials durch das Magnetfeld, die mit dem Magnetfeld auch wieder abnimmt.

Magnetische Formgedächtnislegierungen Gegenüberstellung MIM - MIR

Magnetische Formgedächtnislegierungen Vor- und Nachteile

Magnetische Formgedächtnislegierungen Die Heusler-Phase Ni2MnGa Intermetallische Hume-Rothery Phase Allgemeine Zusammensetzung: X2YZ (Heusler-Phase). X, Y und Z sind schwerere Übergangsmetalle oder benachbarte Metalloide. L21-Struktur: 2 ineinander geschachtelte Untergitter! Nickel-Atome (schwarz) bilden kubisch primitives Untergitter. Zweites Untergitter ist NaCl-Struktur mit abwechselnder Besetzung des Gitters mit Mangan und Gallium. [Quelle: Thienhaus et al 2005]

Magnetische Formgedächtnislegierungen Die Heusler-Phase Ni2MnGa [Quelle: Thienhaus et al 2005]

Magnetische Formgedächtnislegierungen Das System NiMnGa

Magnetische Formgedächtnislegierungen Das System NiMnGa

Magnetische Formgedächtnislegierungen Das System NiMnGa

Magnetische Formgedächtnislegierungen Modulierte Martensitstrukturen

Magnetische Formgedächtnislegierungen Mikrostruktur und Topographie Reliefstruktur einer NiMnGa-Bulkprobe Video: NiGaMn

Magnetische Formgedächtnislegierungen What is essential for the MSM effect??

Magnetische Formgedächtnislegierungen Beispiele

Magnetische Formgedächtnislegierungen Herstellung Pulvertechnologie Einkristallzüchtung Dünnschicht

Magnetische Formgedächtnislegierungen NiMnGa als Aktormaterial

Magnetische Formgedächtnislegierungen NiMnGa als Aktormaterial typ. Aufbau eines MSM-Aktors Anwendungsfelder von MSM-Aktoren

Magnetische Formgedächtnislegierungen Vergleich mit anderen Aktormaterialien