Nickel-Titan (NiTi)-Formgedächtnislegierungen (SMAs) sind einzigartige Metalllegierungen, die bei Kälte gedehnt oder gebogen werden können – und die Form beibehalten –, um beim Erwärmen wieder in ihre ursprüngliche Form zurückzukehren. Dies macht NiTi SMAs für eine Vielzahl von Geräten nützlich: chirurgische Implantate, Anti-Scald-Ventile, motorisierte Stellglieder und mehr. Da SMAs auf Hitze reagieren, verlassen sich Forscher auf Infrarotkameras, um ihr Verhalten besser zu verstehen.

Die Herausforderung: Erfassung uneinheitlichen thermischen Verhaltens in komplexen Materialien

NiTi-SMAs gehören dank ihrer bemerkenswerten elastokalorischen Wirkung (eCE) und ihrer Superelastizität zu den vielversprechendsten Materialien für Solid-State-Kühltechnologien. Die genaue Charakterisierung ihres thermischen Verhaltens – insbesondere unter mechanischer Belastung – bleibt jedoch eine komplexe Herausforderung.

„Es ist bekannt, dass die Temperatur einiger spezieller Formgedächtnislegierungen unter Belastung variiert“, erklärt Dr. Ruien Hu, Wissenschaftlicher Leiter bei PolyU. „Zuvor verwendeten wir Thermoelemente, um Temperaturänderungen zu messen, aber ihre Einzelpunktmessfähigkeit war nicht ausreichend, um die ungleichmäßige Temperaturverteilung zwischen den Proben zu erfassen – insbesondere angesichts der heterogenen Natur von NiTi-Legierungen.“

Der Bedarf an Vollfeld-Hochgeschwindigkeits-Thermobildgebung

Um diese Einschränkungen zu überwinden, wandten sich Dr. Hu und sein Team an FLIR für eine geeignete Infrarotkamera auf Wissenschaftsebene. Sie wählten den FLIR X8583, eine Hochgeschwindigkeitskamera mit mittlerer Welle, die mit fortschrittlichen Objektiven, Filtern und Software ausgestattet ist.

„Unser experimentelles Setup beinhaltet die Verwendung einer Zugprüfmaschine zur Durchführung von Zug- und Kompressionstests an Formgedächtnislegierungen“, sagt Dr. Hu.

„Gleichzeitig zeichnet die FLIR-Kamera die Temperaturschwankungen unter Stress auf und analysiert sie. Diese Fähigkeit ist entscheidend, um die elastokalorische Reaktion zu verstehen.“

Die FLIR X8583-Kamera bot die Hochgeschwindigkeits-Wärmebildgebung mit 1280 × 1024, die das Team benötigte, um inhomogene Oberflächentemperaturverteilungen während mechanischer Ladezyklen zu visualisieren – und lieferte Einblicke, die herkömmliche Sensoren nicht bieten konnten.

FLIR X8583 Kamera

Wissenschaftliche Entdeckung: Mikrostrukturgesteuerte thermische Inhomogenität

In einer kürzlich durchgeführten Studie verwendete das Team Laser Powder Bed Fusion (LPBF), um NiTi-Legierungen mit nahezu äquiatomischer Zusammensetzung herzustellen. Sie entdeckten eine signifikante Inhomogenität der elastokalorischen Wirkung mit einer Temperaturdifferenz von bis zu 4,2 K über eine einzelne Probe hinweg.

„Infrarotbildgebung zeigte, dass die Verteilung der Oberflächentemperatur während kompressionsinduzierter elastokalorischer Effekte inhomogen war“, bemerkt Dr. Hu. „Dies ist hauptsächlich auf die ungleichmäßige Mikrostruktur der von LPBF hergestellten NiTi-Legierungen zurückzuführen.“

NiTi-Legierungsproben, hergestellt von LPBF

Die Morphologie des Pulvers

Die Wärmebildgebung von FLIR erfasst gestreifte Hoch- und Tieftemperaturbereiche, die dem Team helfen, die Korngröße, die Dislokationsdichte und die Präzipitatverteilung mit der funktionellen Leistung des Materials zu verknüpfen.

Phasentransformationskurve des Pulvers

Erfahrungsbericht: Der FLIR-Vorteil in der Forschung

„Die hohe Auflösung der FLIR-Infrarotkamera ist besonders vorteilhaft für unsere Forschung, da unsere Proben relativ klein sind. Darüber hinaus ermöglicht uns die außergewöhnliche Bildrate der Kamera, schnelle Temperaturänderungen präzise zu erfassen – entscheidend für unsere Analyse. FLIR hat unsere experimentellen Fähigkeiten erheblich verbessert und es uns ermöglicht, das intrinsische thermische Verhalten unserer Proben mit mehr Details und Genauigkeit aufzudecken“, sagt Dr. Hu.

Ergebnis: Verbessertes Verständnis und wissenschaftliche Auswirkungen

Mit den leistungsstarken Tools von FLIR konnte das Forschungsteam:

• Die Rolle der mikrostrukturellen Inhomogenität bei der Temperaturverteilung identifizieren
• Erfassung der thermischen Reaktionen im gesamten Feld während zyklischer mechanischer Tests
• Gewinnen Sie neue Einblicke in Superelastizität und funktionelle Ermüdung
• Nachweis einer 96,1%igen Erholung nach dem ersten Zyklus – Nachweis einer ausgezeichneten Superelastizität

Diese Ergebnisse tragen zu einer breiteren Forschungsinitiative bei, um Festkörperkühltechnologien und adaptives Materialdesign voranzutreiben.

Unterstützung und zukünftige Erkundung

Das Team würdigt auch die technische Unterstützung von FLIR für ihren Erfolg:

„Wir haben von der Anleitung des FLIR-Vertreters Liu Yongbo profitiert, der bei der Lösung mehrerer technischer Herausforderungen mitgewirkt hat. Wir freuen uns auf die weitere Zusammenarbeit und Unterstützung, während sich unsere Forschung weiterentwickelt.“

Dr. Hu und sein Team sind auch daran interessiert, an FLIR-Benutzerkonferenzen und wissenschaftlichen Foren teilzunehmen, um Erkenntnisse auszutauschen und die Zusammenarbeit innerhalb der Forschungsgemeinschaft zu fördern.

Verwendete FLIR-Tools

• FLIR X8583 Kamera
• MWIR f/4 3-5 μm MTR-Objektiv
• Research Studio – Professional Edition
• Bereich der thermografischen Kalibrierung: -20 °C bis 1500 °C

Fazit: Erkennen des nicht nachweisbaren mit dem FLIR X8583

Durch die schnelle thermische Vollfeldvisualisierung ist die FLIR X8583 High-Speed Infrarotkamera zu einem unverzichtbaren Forschungswerkzeug bei PolyU geworden. Sie ermöglicht es Wissenschaftlern, die verborgene thermische Dynamik fortschrittlicher Materialien wie NiTi-Legierungen zu erforschen – Daten, die mit herkömmlichen Sensoren nicht erfasst werden können.

Der FLIR X8583 zeichnet nicht nur die Temperatur auf, sondern deckt auch die Wissenschaft dahinter auf. Von der Aufdeckung mikrostruktureller Verhaltensweisen bis hin zur Beschleunigung von Innovationen bei intelligenten Materialien und der Festkörperkühlung – FLIR erweitert weiterhin die Grenzen dessen, was in der thermischen Forschung möglich ist.

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FLIR X8583