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Dreiformen-Nanokomposite mit magnetisch einstellbaren Schalttemperaturen entwickelt, die für intelligente Befestigungssysteme genutzt werden können

Einem Forscherteam des Teltower Zentrums für Biomaterialentwicklung des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) ist es gelungen, Materialien mit magnetisch einstellbaren Funktionen zu entwickeln. Dabei gelingt es jetzt, die Schalttemperaturen von Dreiformen-Nanokompositen in schwachen Magnetfeldern maßzuschneidern. Durch die Entdeckung der Teltower Forscher ist fortan die Nutzung intelligenter Befestigungssysteme möglich.

Dreiformen-Polymere können bei Erwärmung zwei vorbestimmte Formänderungen ausführen, die zuvor über eine spezielle thermomechanische Behandlung programmiert werden. Beim Aufheizen schalten die Materialien bei bestimmten Schalttemperaturen zunächst von der aktuellen Form in die erste und von dort in die zweite gespeicherte Form. Mit Magnetfeldern unterschiedlicher Stärke lassen sich die Schalttemperaturen der Materialien gezielt einstellen.

Die neuartigen, aktiv-beweglichen Dreiformen-Nanokomposite sind aus einer Polymermatrix aufgebaut. Sie besteht aus zwei verschiedenen, kristallisierbaren Kettensegmenttypen, die chemisch miteinander verknüpft sind, und aus darin verteilten magnetischen Eisenoxid-Nanopartikeln. Jeder kristallisierbare Segmenttyp kann eine Form speichern. Die Magnetpartikel werden im schwachen, alternierenden Magnetfeld erwärmt und dienen so als zusätzliche Heizquelle. Je höher ihr Beitrag an Wärmeenergie ausfällt, desto geringer ist die Umgebungstemperatur, bei der die Formänderungen erfolgen.

Umgebungstemperaturen, bei denen die Formänderungen stattfinden, werden als Schalttemperaturen bezeichnet. Sie lassen sich bei Nanokompositen über ein Magnetfeld einstellen, da sie durch die erhöhte Umgebungstemperatur und über die indirekte Erwärmung der eingearbeiteten Eisenoxid-Nanopartikel im alternierenden Magnetfeld aufgeheizt werden. Nur durch die Kombination dieser beiden Heizquellen können die Schalttemperaturen gezielt manipuliert werden. Dank dieser Technologie lassen sich nun auch Anwendungen verwirklichen, bei denen die Initialisierung eines Dreiformen-Effektes über eine direkte Erwärmung des Bauteils bisher nicht möglich gewesen ist.

News Dreiformen-Nanokomposite

Darstellung eines intelligenten Befestigungssystems

In der Abbildung wird ein intelligentes Befestigungssystem schematisch dargestellt. Dieses setzt sich aus zwei Komponenten zusammen. Dabei handelt es sich einerseits um einen programmierten Haken aus einem Dreiformen-Nanokomposit mit magnetisch einstellbaren Schalttemperaturen. Die zweite Komponente ist eine Öse aus einem programmierten Zweiformen-Kunststoff.

Wird nun die Raumtemperatur auf 60 °C erhöht, nehmen sowohl der deformierte Haken als auch die verstreckte Öse ihre ursprünglichen Formen wieder an. Eine erfolgreiche Fixierung ist jedoch erst dann möglich, wenn ein schwaches Magnetfeld zugeschaltet wird.
Denn nun lassen sich die Schalttemperaturen im Haken so einstellen, dass dieser in der Öse verankert wird. Die Farben in den Abbildungen zeigen die jeweils erzielten Temperaturen innerhalb der einzelnen Bauteile bei der Aufheizung mit bzw. ohne Magnetfeld.

U. Narendra Kumar, K. Kratz, M. Heuchel, M. Behl, A. Lendlein, Shape-memory Nanocomposites with Magneticallyadjustable Apparent Switching Temperatures, Adv. Mater. 23 (36), 4157-4162 (2011) Zum Artikel

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