NITINOL Form Minne Legering
Nickeltitan, även känd som nitinol, är en metallegering av nickel och titan, där de två grundämnena är närvarande i ungefär lika stora atomandelar. Olika legeringar namnges efter viktprocenten av nickel; t.ex. nitinol 55 och nitinol 60.
Nitinollegeringar uppvisar två närbesläktade och unika egenskaper: formminneseffekten och superelasticitet (även kallad pseudoelasticitet). Formminne är förmågan hos nitinol att genomgå deformation vid en temperatur, förbli i sin deformerade form när den yttre kraften avlägsnas, och sedan återställa sin ursprungliga, odeformerade form vid uppvärmning över sin "transformationstemperatur".
NiTi-förening.
Nitinols ovanliga egenskaper härrör från en reversibel fastfastransformation känd som en martensitisk transformation mellan två olika martensitkristallfaser, som kräver 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) av mekanisk stress.
Vid höga temperaturer antar nitinol en genomträngande enkel kubisk struktur som kallas austenit (även känd som moderfasen). Vid låga temperaturer omvandlas nitinol spontant till en mer komplicerad monoklinisk kristallstruktur som kallas martensit (dotterfas).[8] Det finns fyra övergångstemperaturer associerade med austenit-till-martensit- och martensit-till-austenit-transformationerna. Med utgångspunkt från full austenit börjar martensit bildas när legeringen kyls till den så kallade martensitstarttemperaturen eller Ms, och temperaturen vid vilken omvandlingen är fullbordad kallas för martensitsluttemperaturen, eller Mf. När legeringen är helt martensit och utsätts för uppvärmning, börjar austenit bildas vid austenitstarttemperaturen, As, och slutar vid austenitsluttemperaturen, Af.[9]
Termisk hysteres av nitinols fasomvandling
Kylnings-/uppvärmningscykeln visar termisk hysteres. Hysteresbredden beror på den exakta nitinolsammansättningen och bearbetningen. Dess typiska värde är ett temperaturområde som spänner över cirka 20–50 grader (36–90 grader F), men det kan reduceras eller förstärkas genom legering[10] och bearbetning.[11]
Avgörande för nitinolegenskaper är två nyckelaspekter av denna fasomvandling. För det första är omvandlingen "reversibel", vilket betyder att uppvärmning över transformationstemperaturen kommer att återställa kristallstrukturen till den enklare austenitfasen. Den andra nyckelpunkten är att omvandlingen i båda riktningarna är momentan.
Martensits kristallstruktur (känd som en monoklinisk eller B19'-struktur) har den unika förmågan att genomgå begränsad deformation på vissa sätt utan att bryta atombindningar. Denna typ av deformation är känd som twinning, som består av omarrangering av atomplan utan att orsaka glidning eller permanent deformation. Den kan genomgå cirka 6–8 % belastning på detta sätt. När martensit återställs till austenit genom upphettning, återställs den ursprungliga austenitiska strukturen, oavsett om martensitfasen deformerats. Således "kom ihågs" formen på högtemperaturaustenitfasen, även om legeringen är kraftigt deformerad vid en lägre temperatur.[12]
2D-vy av nitinols kristallina struktur under kylnings-/uppvärmningscykeln
Ett stort tryck kan skapas genom att förhindra återgång av deformerad martensit till austenit - från 240 MPa (35,000 psi) till, i många fall, mer än 690 MPa (100,000 psi) ). En av anledningarna till att nitinol arbetar så hårt för att återgå till sin ursprungliga form är att det inte bara är en vanlig metallegering, utan det som kallas en intermetallisk förening. I en vanlig legering är beståndsdelarna slumpmässigt placerade i kristallgittret; i en ordnad intermetallisk förening har atomerna (i detta fall nickel och titan) mycket specifika platser i gittret.[13] Det faktum att nitinol är en intermetallisk är till stor del ansvarigt för komplexiteten i att tillverka anordningar gjorda av legeringen.
Ansökningar
Ett nitinol gem böjt och återhämtat sig efter att ha placerats i varmt vatten
Det finns fyra vanliga typer av applikationer för nitinol:
Gratis återhämtning
Nitinol deformeras vid låg temperatur, förblir deformerad och värms sedan upp för att återställa sin ursprungliga form genom formminneseffekten.
Begränsad återhämtning
Liknar fri återhämtning, förutom att återhämtning är stelbent förhindrad och därmed stress genereras.
Arbetsproduktion
Legeringen tillåts återhämta sig, men för att göra det måste den verka mot en kraft (och därmed göra arbete).
Superelasticitet
Nitinol fungerar som en superfjäder genom den superelastiska effekten.
Superelastiska material genomgår en spänningsinducerad transformation och är allmänt kända för sin "formminne"-egenskap. På grund av sin superelasticitet uppvisar NiTi-trådar en "elastokalorisk" effekt, vilket är stressutlöst uppvärmning/kylning. NiTi-trådar är för närvarande under forskning som det mest lovande materialet för tekniken. Processen börjar med dragbelastning på tråden, vilket gör att vätska (inuti tråden) strömmar till HHEX (varm värmeväxlare). Samtidigt kommer värme att drivas ut, som kan användas för att värma omgivningen. I den omvända processen leder dragavlastning av tråden till att vätska strömmar till CHEX (kall värmeväxlare), vilket gör att NiTi-tråden absorberar värme från omgivningen. Därför kan temperaturen i omgivningen sänkas (kylas).
Elastokaloriska enheter jämförs ofta med magnetokaloriska enheter som nya metoder för effektiv uppvärmning/kylning. Elastokaloriska enheter gjorda med NiTi-trådar har en fördel jämfört med magnetokaloriska enheter gjorda med gadolinium på grund av dess specifika kyleffekt (vid 2 Hz), vilket är 70X bättre (7 kWh/kg mot 0,1 kWh/kg). Elektrokaloriska enheter tillverkade med NiTi-trådar har dock också begränsningar, såsom dess korta utmattningslivslängd och beroende av stora dragkrafter (energikrävande).
