NITINOL Shape Memory Alloy

Nikkeltitan, også kjent som nitinol, er en metalllegering av nikkel og titan, hvor de to grunnstoffene er tilstede i omtrent like atomprosentandeler. Ulike legeringer er navngitt i henhold til vektprosenten av nikkel; f.eks nitinol 55 og nitinol 60.

Nitinol-legeringer viser to nært beslektede og unike egenskaper: formminneeffekten og superelastisitet (også kalt pseudoelastisitet). Formminne er evnen til nitinol til å gjennomgå deformasjon ved én temperatur, holde seg i sin deformerte form når den ytre kraften fjernes, og deretter gjenopprette sin opprinnelige, udeformerte form ved oppvarming over sin "transformasjonstemperatur".

NiTi-forbindelse.

Nitinols uvanlige egenskaper er avledet fra en reversibel faststofffasetransformasjon kjent som en martensittisk transformasjon mellom to forskjellige martensittkrystallfaser, som krever 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) av mekanisk stress.

Ved høye temperaturer antar nitinol en gjennomtrengende enkel kubisk struktur referert til som austenitt (også kjent som moderfasen). Ved lave temperaturer forvandles nitinol spontant til en mer komplisert monoklin krystallstruktur kjent som martensitt (datterfase).[8] Det er fire overgangstemperaturer knyttet til austenitt-til-martensitt- og martensitt-til-austenitt-transformasjonene. Med utgangspunkt i full austenitt begynner det å dannes martensitt når legeringen avkjøles til den såkalte martensittstarttemperaturen eller Ms, og temperaturen der transformasjonen er fullført kalles martensittens slutttemperatur, eller Mf. Når legeringen er fullstendig martensitt og utsettes for oppvarming, begynner austenitt å dannes ved austenittens starttemperatur, As, og avsluttes ved austenittens slutttemperatur, Af.[9]

Termisk hysterese av nitinols fasetransformasjon

Avkjølings-/oppvarmingssyklusen viser termisk hysterese. Hysteresebredden avhenger av den nøyaktige nitinolsammensetningen og behandlingen. Dens typiske verdi er et temperaturområde som spenner over 20–50 grader (36–90 grader F), men den kan reduseres eller forsterkes ved legering[10] og prosessering.[11]

Avgjørende for nitinolegenskaper er to nøkkelaspekter ved denne fasetransformasjonen. For det første er transformasjonen "reversibel", noe som betyr at oppvarming over transformasjonstemperaturen vil gå tilbake til krystallstrukturen til den enklere austenittfasen. Det andre nøkkelpunktet er at transformasjonen i begge retninger er øyeblikkelig.

Martensitts krystallstruktur (kjent som en monoklinisk eller B19'-struktur) har den unike evnen til å gjennomgå begrenset deformasjon på noen måter uten å bryte atombindinger. Denne typen deformasjon er kjent som tvilling, som består av omorganisering av atomplan uten å forårsake slip, eller permanent deformasjon. Den er i stand til å gjennomgå omtrent 6–8 % belastning på denne måten. Når martensitt omdannes til austenitt ved oppvarming, gjenopprettes den opprinnelige austenittiske strukturen, uavhengig av om martensittfasen ble deformert. Dermed "huskes" formen på høytemperatur austenittfasen, selv om legeringen er alvorlig deformert ved en lavere temperatur. [12]

2D-visning av nitinols krystallinske struktur under kjøle-/oppvarmingssyklusen

Et stort trykk kan produseres ved å forhindre reversering av deformert martensitt til austenitt - fra 240 MPa (35,000 psi) til, i mange tilfeller, mer enn 690 MPa (100,000 psi) ). En av grunnene til at nitinol jobber så hardt for å gå tilbake til sin opprinnelige form er at det ikke bare er en vanlig metalllegering, men det som er kjent som en intermetallisk forbindelse. I en vanlig legering er komponentene tilfeldig plassert i krystallgitteret; i en ordnet intermetallisk forbindelse har atomene (i dette tilfellet nikkel og titan) svært spesifikke plasseringer i gitteret.[13] Det faktum at nitinol er en intermetallisk er i stor grad ansvarlig for kompleksiteten til å produsere enheter laget av legeringen.

Søknader

En nitinol binders bøyd og kom seg etter å ha blitt plassert i varmt vann

Det er fire vanlig brukte typer applikasjoner for nitinol:

Gratis gjenoppretting

Nitinol deformeres ved lav temperatur, forblir deformert og varmes deretter opp for å gjenopprette sin opprinnelige form gjennom formminneeffekten.

Begrenset utvinning

Ligner på fri restitusjon, bortsett fra at restitusjon er stivt forhindret og dermed stress genereres.

Arbeidsproduksjon

Legeringen får lov til å komme seg, men for å gjøre det må den virke mot en kraft (og dermed gjøre arbeid).

Superelastisitet

Nitinol fungerer som en superfjær gjennom den superelastiske effekten.

Superelastiske materialer gjennomgår en stressindusert transformasjon og er ofte anerkjent for deres "form-minne"-egenskap. På grunn av sin superelastisitet viser NiTi-tråder en "elastokalorisk" effekt, som er stressutløst oppvarming/avkjøling. NiTi-ledninger er for tiden under forskning som det mest lovende materialet for teknologien. Prosessen starter med strekkbelastning på ledningen, som får væske (inne i ledningen) til å strømme til HHEX (varm varmeveksler). Samtidig vil det slippes ut varme, som kan brukes til å varme opp omgivelsene. I motsatt prosess fører strekkavlastning av tråden til at væske strømmer til CHEX (kald varmeveksler), noe som får NiTi-tråden til å absorbere varme fra omgivelsene. Derfor kan temperaturen i omgivelsene reduseres (avkjøles).

Elastokaloriske enheter sammenlignes ofte med magnetokaloriske enheter som nye metoder for effektiv oppvarming/kjøling. Elastokaloriske enheter laget med NiTi-ledninger har en fordel fremfor magnetokaloriske enheter laget med gadolinium på grunn av dens spesifikke kjøleeffekt (ved 2 Hz), som er 70X bedre (7 kWh/kg vs. 0,1 kWh/kg). Imidlertid har elektrokaloriske enheter laget med NiTi-ledninger også begrensninger, som dens korte utmattelseslevetid og avhengighet av store strekkkrefter (energikrevende).