Stop NITINOL z pamięcią kształtu

Tytan niklowy, znany również jako nitinol, to stop metalu niklu i tytanu, w którym oba pierwiastki występują w mniej więcej równych procentach atomowych. Nazwy różnych stopów zależą od procentowej zawartości niklu; np. nitinol 55 i nitinol 60.

Stopy nitinolu wykazują dwie ściśle powiązane i unikalne właściwości: efekt pamięci kształtu i supersprężystość (zwaną także pseudosprężystością). Pamięć kształtu to zdolność nitinolu do odkształcania się w jednej temperaturze, utrzymywania odkształconego kształtu po usunięciu siły zewnętrznej, a następnie odzyskiwania pierwotnego, nieodkształconego kształtu po podgrzaniu powyżej „temperatury przemiany”.

Związek NiTi.

Niezwykłe właściwości nitinolu wynikają z odwracalnej przemiany fazy w stanie stałym, znanej jako przemiana martenzytyczna pomiędzy dwiema różnymi fazami kryształu martenzytu, która wymaga 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) obciążenie mechaniczne.

W wysokich temperaturach nitinol przyjmuje przenikającą się prostą strukturę sześcienną zwaną austenitem (znaną również jako faza macierzysta). W niskich temperaturach nitinol spontanicznie przekształca się w bardziej skomplikowaną jednoskośną strukturę krystaliczną znaną jako martenzyt (faza córka). Istnieją cztery temperatury przejścia związane z przemianami austenitu w martenzyt i martenzytu w austenit. Zaczynając od pełnego austenitu, martenzyt zaczyna się tworzyć, gdy stop jest schładzany do tak zwanej temperatury początkowej martenzytu, czyli Ms, a temperatura, w której przemiana kończy się, nazywana jest temperaturą końcową martenzytu, czyli Mf. Gdy stop jest całkowicie martenzytyczny i jest poddawany ogrzewaniu, austenit zaczyna tworzyć się w temperaturze początkowej austenitu, As, a kończy w temperaturze końcowej austenitu, Af.[9]

Histereza termiczna przemiany fazowej nitinolu

Cykl chłodzenia/ogrzewania wykazuje histerezę termiczną. Szerokość histerezy zależy od dokładnego składu nitinolu i jego przetwarzania. Jego typową wartością jest zakres temperatur obejmujący około 20–50 stopni (36–90 stopni F), ale można go zmniejszyć lub zwiększyć poprzez dodanie stopu[10] i obróbkę.[11]

Dwa kluczowe aspekty tej przemiany fazowej mają kluczowe znaczenie dla właściwości nitinolu. Po pierwsze, przemiana jest „odwracalna”, co oznacza, że ​​ogrzewanie powyżej temperatury przemiany spowoduje powrót struktury kryształu do prostszej fazy austenitu. Drugą kluczową kwestią jest to, że transformacja w obu kierunkach jest natychmiastowa.

Struktura krystaliczna martenzytu (znana jako struktura jednoskośna lub struktura B19') ma wyjątkową zdolność do ulegania ograniczonej deformacji w pewien sposób bez zerwania wiązań atomowych. Ten rodzaj deformacji nazywany jest bliźniakiem i polega na przegrupowaniu płaszczyzn atomowych bez powodowania poślizgu lub trwałego odkształcenia. W ten sposób jest w stanie wytrzymać około 6–8% odkształcenia. Kiedy martenzyt zostaje ponownie zamieniony w austenit poprzez ogrzewanie, przywracana jest pierwotna struktura austenityczna, niezależnie od tego, czy faza martenzytu uległa odkształceniu. W ten sposób „zapamiętuje się” kształt wysokotemperaturowej fazy austenitu, mimo że stop ulega silnemu odkształceniu w niższej temperaturze.

Widok 2D struktury krystalicznej nitinolu podczas cyklu chłodzenia/ogrzewania

Można wytworzyć duże ciśnienie, zapobiegając powrotowi odkształconego martenzytu do austenitu – od 240 MPa (35000 psi) do w wielu przypadkach ponad 690 MPa (100000 psi) ). Jednym z powodów, dla których nitinol tak ciężko pracuje, aby powrócić do swojego pierwotnego kształtu, jest to, że nie jest to zwykły stop metalu, ale tak zwany związek międzymetaliczny. W zwykłym stopie składniki są losowo rozmieszczone w sieci krystalicznej; w uporządkowanym związku międzymetalicznym atomy (w tym przypadku niklu i tytanu) mają bardzo określone lokalizacje w siatce. Fakt, że nitinol jest substancją międzymetaliczną, w dużej mierze odpowiada za złożoność wytwarzania urządzeń wykonanych ze stopu.

Aplikacje

Spinacz z nitinolu wygięty i odzyskany po umieszczeniu w gorącej wodzie

Istnieją cztery powszechnie stosowane typy zastosowań nitinolu:

Bezpłatne odzyskiwanie

Nitinol ulega odkształceniu w niskiej temperaturze, pozostaje odkształcony, a następnie jest podgrzewany, aby odzyskać swój pierwotny kształt dzięki efektowi pamięci kształtu.

Ograniczony powrót do zdrowia

Podobny do swobodnego powrotu do zdrowia, z tą różnicą, że powrót do zdrowia jest sztywno uniemożliwiony i w ten sposób generowany jest stres.

Produkcja pracy

Stop może się zregenerować, ale w tym celu musi działać wbrew sile (w ten sposób wykonując pracę).

Supersprężystość

Nitinol działa jak supersprężyna poprzez efekt superelastyczny.

Materiały supersprężyste ulegają transformacji wywołanej naprężeniami i są powszechnie uznawane za ich właściwość „pamięci kształtu”. Ze względu na swoją supersprężystość druty NiTi wykazują efekt „elastokaloryczny”, czyli ogrzewanie/chłodzenie wywołane naprężeniem. Druty NiTi są obecnie przedmiotem badań jako najbardziej obiecujący materiał dla tej technologii. Proces rozpoczyna się od obciążenia rozciągającego drutu, co powoduje przepływ płynu (w drucie) do HHEX (gorącego wymiennika ciepła). Jednocześnie wydalone zostanie ciepło, które można wykorzystać do ogrzania otoczenia. W procesie odwrotnym, odciążenie drutu podczas rozciągania powoduje przepływ płynu do CHEX (zimnego wymiennika ciepła), powodując, że drut NiTi pochłania ciepło z otoczenia. Dzięki temu można obniżyć (schłodzić) temperaturę otoczenia.

Urządzenia elastokaloryczne często porównuje się z urządzeniami magnetokalorycznymi jako nowymi metodami efektywnego ogrzewania/chłodzenia. Urządzenie elastokaloryczne wykonane z drutów NiTi ma przewagę nad urządzeniami magnetokalorycznymi wykonanymi z gadolinu ze względu na swoją właściwą moc chłodzenia (przy 2 Hz), która jest 70X lepsza (7 kWh/kg w porównaniu z 0,1 kWh/kg). Urządzenia elektrokaloryczne wykonane z drutów NiTi mają jednak również ograniczenia, takie jak krótka trwałość zmęczeniowa i zależność od dużych sił rozciągających (energochłonnych).