Aliaj NITINOL cu memorie de formă

Nichel-titan, cunoscut și sub numele de nitinol, este un aliaj metalic de nichel și titan, în care cele două elemente sunt prezente în procente atomice aproximativ egale. Diferite aliaje sunt denumite în funcție de procentul de greutate al nichelului; de exemplu, nitinol 55 și nitinol 60.

Aliajele de nitinol prezintă două proprietăți strâns legate și unice: efectul de memorie a formei și supraelasticitatea (numită și pseudoelasticitate). Memoria formei este capacitatea nitinolului de a suferi deformare la o temperatură, de a rămâne în forma sa deformată atunci când forța externă este îndepărtată și apoi de a-și recupera forma originală, neformată, la încălzirea peste „temperatura de transformare”.

compus NiTi.

Proprietățile neobișnuite ale nitinolului sunt derivate dintr-o transformare reversibilă în fază solidă cunoscută sub numele de transformare martensitică între două faze cristaline de martensită diferite, care necesită 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) de stres mecanic.

La temperaturi ridicate, nitinolul presupune o structură cubică simplă interpenetrantă denumită austenită (cunoscută și sub denumirea de fază părinte). La temperaturi scăzute, nitinolul se transformă spontan într-o structură cristalină monoclinică mai complicată cunoscută sub numele de martensită (faza fiică).[8] Există patru temperaturi de tranziție asociate cu transformările austenită-la-martensită și martensită-la-austenită. Pornind de la austenita completă, martensita începe să se formeze pe măsură ce aliajul este răcit la așa-numita temperatură de început a martensitei sau Ms, iar temperatura la care transformarea este completă se numește temperatura de finisare a martensitei sau Mf. Când aliajul este complet martensită și este supus încălzirii, austenita începe să se formeze la temperatura de început a austenitei, As, și se termină la temperatura de finisare a austenitei, Af.[9]

Histerezisul termic al transformării de fază a nitinolului

Ciclul de răcire/încălzire arată histerezis termic. Lățimea histerezisului depinde de compoziția și procesarea precisă a nitinolului. Valoarea sa tipică este un interval de temperatură care se întinde pe aproximativ 20–50 de grade (36–90 de grade F), dar poate fi redusă sau amplificată prin aliere[10] și prelucrare.[11]

Esențiale pentru proprietățile nitinolului sunt două aspecte cheie ale acestei transformări de fază. În primul rând, transformarea este „reversibilă”, ceea ce înseamnă că încălzirea peste temperatura de transformare va întoarce structura cristalină la faza mai simplă de austenită. Al doilea punct cheie este că transformarea în ambele direcții este instantanee.

Structura cristalină a martensitei (cunoscută sub numele de monoclinic sau structură B19’) are capacitatea unică de a suferi o deformare limitată în anumite moduri fără a rupe legăturile atomice. Acest tip de deformare este cunoscut sub numele de twinning, care constă în rearanjarea planurilor atomice fără a provoca alunecare sau deformare permanentă. Este capabil să sufere aproximativ 6-8% tulpini în acest mod. Când martensita este revenită la austenită prin încălzire, structura austenitică inițială este restaurată, indiferent dacă faza martensită a fost deformată. Astfel, forma fazei de austenită la temperatură înaltă este „reamintită”, chiar dacă aliajul este grav deformat la o temperatură mai scăzută.[12]

Vedere 2D a structurii cristaline a nitinolului în timpul ciclului de răcire/încălzire

O cantitate mare de presiune poate fi produsă prin prevenirea inversării martensitei deformate la austenită - de la 240 MPa (35,000 psi) la, în multe cazuri, mai mult de 690 MPa (100,000 psi) ). Unul dintre motivele pentru care nitinolul lucrează atât de greu pentru a reveni la forma sa inițială este că nu este doar un aliaj metalic obișnuit, ci și ceea ce este cunoscut ca un compus intermetalic. Într-un aliaj obișnuit, constituenții sunt poziționați aleatoriu în rețeaua cristalină; într-un compus intermetalic ordonat, atomii (în acest caz, nichel și titan) au locații foarte specifice în rețea.[13] Faptul că nitinolul este un intermetalic este în mare măsură responsabil pentru complexitatea fabricării dispozitivelor realizate din aliaj.

Aplicații

O agrafă de nitinol s-a îndoit și s-a recuperat după ce a fost pusă în apă fierbinte

Există patru tipuri de aplicații utilizate în mod obișnuit pentru nitinol:

Recuperare gratuită

Nitinolul este deformat la o temperatură scăzută, rămâne deformat și apoi este încălzit pentru a-și recupera forma inițială prin efectul de memorie a formei.

Recuperare constrânsă

Similar cu recuperarea gratuită, cu excepția faptului că recuperarea este prevenită în mod rigid și astfel se generează stres.

Productia muncii

Aliajul are voie să se refacă, dar pentru a face acest lucru trebuie să acționeze împotriva unei forțe (făcând astfel lucru).

Superelasticitate

Nitinolul actioneaza ca un super arc prin efectul superelastic.

Materialele superelastice suferă o transformare indusă de stres și sunt recunoscute în mod obișnuit pentru proprietatea lor de „memorie de formă”. Datorită superelasticității sale, firele NiTi prezintă un efect „elastocaloric”, care este încălzirea/răcirea declanșată de stres. Firele NiTi sunt în prezent în cercetare ca fiind cel mai promițător material pentru tehnologie. Procesul începe cu încărcarea la tracțiune pe fir, care face ca fluidul (în interiorul firului) să curgă către HHEX (schimbător de căldură fierbinte). Concomitent, va fi expulzată căldura, care poate fi folosită pentru a încălzi împrejurimile. În procesul invers, descărcarea prin tracțiune a firului duce la curgerea fluidului către CHEX (schimbător de căldură rece), determinând firul NiTi să absoarbă căldura din împrejurimi. Prin urmare, temperatura mediului înconjurător poate fi scăzută (răcită).

Dispozitivele elastocalorice sunt adesea comparate cu dispozitivele magnetocalorice ca noi metode de încălzire/răcire eficientă. Dispozitivul elastocaloric realizat cu fire NiTi are un avantaj față de dispozitivele magnetocalorice realizate cu gadoliniu datorită puterii sale specifice de răcire (la 2 Hz), care este de 70X mai bună (7 kWh/kg față de 0,1 kWh/kg). Cu toate acestea, dispozitivele electrocalorice realizate cu fire NiTi au, de asemenea, limitări, cum ar fi durata de viață scurtă la oboseală și dependența de forțe mari de tracțiune (consum de energie).