(3 hv) - 2 Geheugenmetaal

Zelfherstellende materialen (3 hv) - 2 Geheugenmetaal
In deze paragraaf gaan we geheugenmetaal nader bekijken. Zoals de naam al zegt, kan dit metaal iets
onthouden. Stel je eens voor: een motorkap van een auto die zichzelf uitdeukt nadat er door een botsing
een deuk in is gekomen. Toekomstmuziek?
Wat zijn geheugenmetalen?
Geheugenmetalen zijn legeringen die over twee bijzondere eigenschappen beschikken. Ten eerste: de
legering heeft een zeer beweeglijk karakter. Hierdoor heeft deze een bijna rubberachtige flexibiliteit.
Door de flexibiliteit kan een geheugenmetaal soms wel tot 10% van zijn oorspronkelijke lengte worden
uitgerekt, zonder dat het kapot gaat.
Een tweede belangrijke eigenschap is dat het materiaal zijn oorspronkelijke vorm kan ‘onthouden’ en dat
het in staat is om naar zijn oorspronkelijke vorm terug te keren nadat het vervormd is geweest.
Legering
Een mengsel
van metalen,
ontstaan
door het
mengen van
metalen in
de vloeibare
fase
Een veel gebruikt geheugenmetaal is nitinol, een legering van nikkel en titaan. Door verschillende
verhoudingen te gebruiken binnen de legering, kunnen er verschillende eigenschappen (zoals
beweeglijkheid, enz.) aan het materiaal gegeven worden. Andere geheugenmetalen zijn bijvoorbeeld
Cu-Zn-legeringen of Fe-Mn-Si-legeringen.
Arne Olander was in 1938 een van de eerste personen die ongewone eigenschappen waarnam bij
verschillende legeringen. Pas vanaf de zestiger jaren van de 20 e eeuw werd er serieus onderzoek
gedaan naar geheugenmetalen door het Naval Ordnance Laboratory (NOL). De naam nitinol is
vernoemd naar het laboratorium.
Hoe werkt een geheugenmetaal?
Om te begrijpen hoe een geheugenmetaal werkt, zal er eerst gekeken moeten worden naar de opbouw
van metalen. We gaan naar het microniveau van het metaal. In de meeste metalen zitten de deeltjes op
een vaste plaats in een metaalrooster (een uitzondering is bijvoorbeeld kwik, deze is vloeibaar bij
kamertemperatuur). Een voorbeeld van zo’n rooster staat getekend in figuur 1. Omdat de deeltjes in een
rooster op een vaste plaats zitten, kunnen ze niet verplaatst worden. Daarom zijn de meeste metalen
hard. Als er een kracht op het metaal wordt uitgeoefend, zal het rooster een beetje vervormd worden.
De deeltjes waaruit het metaal is opgebouwd zullen een beetje over elkaar heen schuiven, zoals in
figuur 2.
Figuur 1: Een metaalrooster
Figuur 2: Een vervormd metaalrooster
Wanneer je een gewoon metaal verwarmd gaan de deeltjes uit elkaar.
Nu gaan we kijken naar geheugenmetaal.
Bij een geheugenmetaal gebeurd er iets bijzonders.
Geheugenmetaal kan op twee verschillende manieren in een rooster zitten, martensiet en austeniet. Als
de deeltjes heel erg dicht tegen elkaar zitten, heet dat martensiet. Deze toestand treedt op als het
metaal relatief koud is. Een voorstelling van het martensiete rooster is weergegeven in figuur 3.
De andere toestand heet austeniet (figuur 4). De legering bevindt zich in deze toestand als het materiaal
flink verwarmd wordt. Door het verwarmen zal het materiaal uitzetten. De deeltjes komen dan verder van
elkaar af te staan en de ruimte tussen de deeltjes zal vergroot worden.
Figuur 3: Martensiete toestand
Figuur 4: Austeniete toestand
Als de stof weer afkoelt neemt de ruimte tussen de deeltjes weer af. De stof zal krimpen en de deeltjes
zullen weer dichter bij elkaar gaan zitten. De deeltjes gaan terug naar de oorspronkelijke plaats, de
martensiete toestand.
Als het geheugenmetaal in de martensiete toestand vervormd wordt, zal het rooster door de flexibiliteit
niet kapot gaan. De deeltjes gaan slechts een beetje uit elkaar zitten. De deeltjes worden een beetje
geforceerd naar de austeniete toestand. Als er vervolgens verwarmd wordt, gaat het rooster helemaal
over naar de austeniete toestand. Na afkoelen zal het rooster weer teruggaan naar de oorspronkelijke
martensiete toestand, de toestand vóór het vervormen. Het geheugenmetaal zal weer terugkeren naar
zijn oorspronkelijke vorm. De deeltjes ‘herinneren’ zich dus op welke plaats ze zaten. Het
geheugenmetaal kan zich herinneren welke vorm deze had voor het vervormd werd. Zo kan een
kromme stang weer recht worden of een plaat zichzelf uitdeuken, alleen door het te verwarmen en weer
af te laten koelen.
Opdracht 1 Geheugenmetaal en temperatuur
Zie werkblad Geheugenmetaal en temperatuur.
Geef antwoord op de volgende vragen.
1. Welk verschil merk je op tussen het stukje geheugenmetaal en het andere metaal?
2. Vergelijk tekeningen 3 en 5 die je van het geheugenmetaal hebt gemaakt. Wat valt je op?
De overgangstemperatuur
De overgang van de martensiete naar de austeniete toestand en terug is afhankelijk van twee
temperaturen. Die twee overgangen zijn kenmerkend voor een geheugenmetaal. Deze temperaturen
zijn niet willekeurig, maar hangen af van een aantal factoren. De belangrijkste is de samenstelling van
het geheugenmetaal.
De temperaturen waartussen de stof naar de martensiete vorm gaat worden M S en MF (martensiet-start
en martensiet-finish) genoemd. De temperaturen bij de vorming van de austeniete vorm worden AS en
AF genoemd. Tussen de start- en finishtemperatuur treedt de overgang op.
De start- en finishtemperatuur zijn, naast de samenstelling, ook afhankelijk van de belasting die op het
geheugenmetaal wordt uitgeoefend. Een kracht op het materiaal kan ervoor zorgen dat de stof moeilijker
naar de martensiete of de austeniete toestand kan overgaan. Bij een hogere belasting is ook meer
energie, dus een hogere temperatuur, nodig om de deeltjes op een bepaalde plaats te krijgen. Dit is te
vergelijken met het optillen van een touw met een gewicht van één kilogram of eentje een gewicht van
tien kilogram eraan. Hoe lichter het gewicht des te makkelijker kun je met het touw het gewicht
optrekken. Of in andere woorden: hoe minder (zwaarte)kracht er wordt uitgeoefend op het touw met
gewicht, des te makkelijker is het om het touw met daaraan het gewicht op te tillen. Het verband tussen
een kracht op het geheugenmetaal en de overgangstemperatuur is gegeven in figuur 5.
Figuur 5: Verband tussen uitgeoefende kracht en overgangstemperatuur
Geheugenmetalen kunnen ook krimpen door de temperatuur te verhogen. Dit gebeurt als er een kracht
wordt uitgeoefend op het metaal. De martensiete toestand wordt dan uitgerekt. De deeltjes komen
verder van elkaar te staan. Zo ver zelfs, dat de afstand tussen twee deeltjes groter is dan de onderlinge
afstand in de austeniete toestand.
Als er verwarmd wordt, zal de legering naar de austeniete toestand overgaan, maar omdat de deeltjes in
de austeniete toestand dichter bij elkaar zitten dan in de ‘uitgerekte’ martensiete toestand, zal de stof
krimpen (figuur 6).
De verschillende temperaturen kunnen op verschillende manieren bereikt worden. De simpelste manier
is door het geheugenmetaal in warm water op te warmen. Het is ook mogelijk om gebruik te maken van
de weerstand van de legering. Als er een elektrische stroom wordt aangebracht zal het geheugenmetaal
ook opgewarmd worden.
Figuur 6: Krimpen door te verwarmen.
Opdracht 2 Geheugenmetaal en elektrische stroom
Zie werkblad Geheugenmetaal en elektrische stroom.
Geef antwoord op de volgende vragen.
1.Kun je een verklaring bedenken voor de verschillen in de grafieken in 1 en 2? Zo ja, welke verklaring
heb je bedacht? Zo nee, waarom kun je geen verklaring bedenken?
2. Probeer nu in eigen woorden te vertellen wat er gebeurt als je een gewicht aan het geheugenmetaal
hangt en wat er vervolgens gebeurt wanneer je er spanning opzet.
3. Welk verschil zie je bij het gewone metaaldraadje met spanning en zonder spanning?
4. Wat vind jij het belangrijkste verschil tussen gewoon metaaldraad en een geheugenmetaaldraad.
Hoe kan je het geheugenmetaal een ‘nieuw’ geheugen geven?
Als het geheugenmetaal beneden de temperatuur MF is, is het in de martensiete toestand. In de
martensiete toestand is het materiaal heel makkelijk te vervormen. Als het materiaal warm wordt
gemaakt, gaat het over naar de austeniete toestand. Zodra de austeniete toestand bereikt wordt, zal het
weer teruggaat naar zijn oorspronkelijke vorm.
Als het geheugenmetaal in austeniete toestand vervormd wordt, zal het geheugenmetaal als reactie
direct teruggaan naar de oorspronkelijke vorm. In de austeniete toestand is het moeilijk om het
geheugenmetaal een nieuwe ruimtelijke vorm te geven. Het lijkt dan een beetje op een elastiek, want die
blijft altijd in zijn eigen ‘ronde’, ontspannen vorm. Als het materiaal in een nieuwe vorm wordt
‘geforceerd’ en daarna flink verwarmd wordt (tot gloeien), kan het niet terug naar de vorm die het
oorspronkelijk had en ‘onthoudt’ het geheugenmetaal deze vorm als oorspronkelijke vorm.
Hoe kan dit nou praktisch gedaan worden? Het materiaal kan in een gewenste vorm vastgezet worden
(bijvoorbeeld in een mal). Met een gasbrander wordt het metaal vervolgens roodgloeiend gemaakt. Als
het metaal daarna afgekoeld is, zal het de nieuwe vorm, de vorm van de mal, onthouden.
Opdracht 3 Een onderzoekje naar het geheugen van geheugenmetaal
Zie werkblad Het geheugen van geheugenmetaal.
Geef antwoord op de volgende vragen.
1. Je hebt het geheugenmetaal (met jouw geheugen) gebogen in een paperclipvorm en verwarmd in een
waterbad van ± 70°C. Wat viel je op na het verwarmen?
2. Als je het geheugenmetaal vergelijkt met het geheugenmetaal aan het begin van deze les, wat valt je
dan op?
3. Vind je dat je het geheugenmetaal een nieuw geheugen hebt gegeven?
Wat kan je met een geheugenmetaal?
Waarom is een geheugen metaal zo bijzonder? Aan het begin van dit onderwerp vertelden we: “Stel je
eens voor: een motorkap van een auto die zichzelf uitdeukt nadat er door een botsing een deuk in is
gekomen. Toekomstmuziek?”
Dit klinkt momenteel nog als toekomstmuziek, maar wie weet zie je dit soort auto’s over 20 jaar wel
rondrijden en kun jij zeggen, hé daar heb ik al alles over geleerd op school!
Maar er zijn al wel veel dingen, vooral in de geneeskunde, waar geheugenmetalen worden gebruikt.
Doordat je geheugenmetalen kunt laten krimpen door het te verwarmen of door er een elektrische
stroom op te zetten, kunnen ze gebruikt worden om elektriciteit om te zetten in een beweging. Te
denken valt aan een robothand. In een vroegere robothand waren de motoren de spieren. Door de
motoren te vervangen door geheugenmetaal, kunnen de vingers bewegen door een kleine elektrische
stroom op het geheugenmetaal te zetten (figuur 7).
Figuur 7: Robothand.
Ook chirurgische materialen kunnen van geheugenmetaal gemaakt worden. Door de verhouding van de
metalen in de legering aan te passen, kan er een geheugenmetaal worden gemaakt waarvan de
temperaturen As en Af erg laag liggen. Hierdoor zijn deze stoffen goed geschikt voor het maken van
metalen platen die gebruikt worden bij ernstige fracturen. Het plaatje wordt gekoeld en in de uitgerekte
martensiete vorm in het lichaam geplaatst. Als het door het lichaam wordt opgewarmd, zal het materiaal
krimpen en spanning uitoefenen op botbreuken. Mits deze spanning in de juiste mate is, zal dit het
genezingsproces bevorderen. Het nog vrij moeilijk om metalen plaatjes te maken die de juiste kracht op
een fractuur uitoefenen.
Andere toepassingen voor geheugenmateriaal zijn: gebitscorrectie, geneeskunde en
automobielindustrie. Maar ook de lucht- en ruimtevaart zijn er toepassingen voor geheugenmateriaal.
Eindopdracht
Zie werkblad Eindopdracht geheugenmetaal.
1. Geef in eigen woorden een omschrijving van de term geheugenmetaal en verwerk daarin ook waarom
geheugenmetaal zo belangrijk is.
gerelateerde Kenniskaarten
- Polymeren
gerelateerde Kanjerkaarten
ScheikundeInBedrijf.nl | Postbus 158, 2260 AD Leidschendam | T +31 (0)70 337 87 88, F +31 (0)70 337 87
89 | [email protected]
________________________________________________________
Trial version converts only first 100000 characters. Evaluation only.
Converted by HTML-to-RTF Pro DLL .Net 3.0.9.1 (build March 27th, 2009).
(Licensed version doesn't display this notice!)
- Get license for the HTML-to-RTF Pro DLL .Net