NITINOL alak memória ötvözet
A nikkel-titán, más néven nitinol, a nikkel és a titán fémötvözete, amelyben a két elem nagyjából azonos atomszázalékban van jelen. A különböző ötvözeteket a nikkel tömegszázaléka szerint nevezik el; pl. nitinol 55 és nitinol 60.
A nitinol ötvözetek két egymással szorosan összefüggő és egyedi tulajdonságot mutatnak: az alakmemória effektust és a szuperelaszticitást (más néven pszeudoelaszticitást). Az alakmemória a nitinol azon képessége, hogy egy hőmérsékleten deformálódjon, deformált alakjában maradjon, amikor a külső erő megszűnik, majd visszanyeri eredeti, deformálatlan alakját, amikor az "átalakulási hőmérséklet" fölé melegszik.
NiTi vegyület.
A nitinol szokatlan tulajdonságai egy reverzibilis szilárd fázisú átalakulásból származnak, amely martenzites átalakulásként ismert két különböző martenzit kristályfázis között, amely 69–138 MPa (10, 000–20, 000 psi) nyomást igényel. mechanikai igénybevétel.
Magas hőmérsékleten a nitinol egy áthatoló egyszerű köbös szerkezetet vesz fel, amelyet ausztenitnek neveznek (más néven szülőfázis). Alacsony hőmérsékleten a nitinol spontán átalakul egy bonyolultabb monoklin kristályszerkezetté, amelyet martenzitnek neveznek (leányfázis).[8] Az ausztenitből martenzitté és martenzitből ausztenitté átalakuláshoz négy átmeneti hőmérséklet kapcsolódik. A teljes ausztenitből kiindulva a martenzit képződni kezd, amikor az ötvözet lehűl az úgynevezett martenzit kezdő hőmérsékletre vagy Ms-re, és azt a hőmérsékletet, amelyen az átalakulás befejeződik, martenzit befejezési hőmérsékletnek vagy Mf-nek nevezzük. Amikor az ötvözet teljesen martenzites, és melegítésnek van kitéve, az ausztenit az ausztenit As kezdeti hőmérsékletén kezd kialakulni, és az ausztenit befejezési hőmérsékletén, Af fejeződik be.[9]
A nitinol fázistranszformációjának termikus hiszterézise
A hűtési/fűtési ciklus termikus hiszterézist mutat. A hiszterézis szélessége a nitinol pontos összetételétől és feldolgozásától függ. Jellemző értéke körülbelül 20–50 fokos hőmérséklet-tartomány, de ötvözéssel[10] és feldolgozással csökkenthető vagy felerősíthető.[11]
Ennek a fázistranszformációnak két kulcsfontosságú aspektusa van a nitinol tulajdonságai szempontjából. Az első az, hogy az átalakulás "reverzibilis", ami azt jelenti, hogy az átalakulási hőmérséklet fölé melegítve a kristályszerkezet visszaáll az egyszerűbb ausztenit fázisba. A második kulcspont az, hogy az átalakulás mindkét irányban azonnali.
A martenzit kristályszerkezete (monoklin vagy B19' szerkezetként ismert) egyedülálló képességgel rendelkezik, hogy bizonyos szempontból korlátozott deformáción megy keresztül anélkül, hogy az atomi kötéseket megszakítaná. Az ilyen típusú deformációt ikerképződménynek nevezik, amely az atomsíkok átrendeződéséből áll anélkül, hogy elcsúszást vagy maradandó deformációt okozna. Körülbelül 6-8%-os igénybevételt képes elviselni ilyen módon. Amikor a martenzit hevítéssel ausztenitté alakul, az eredeti ausztenites szerkezet visszaáll, függetlenül attól, hogy a martenzit fázis deformálódott-e. Így a magas hőmérsékletű ausztenit fázis alakja „emlékezik”, még akkor is, ha az ötvözet alacsonyabb hőmérsékleten erősen deformálódik.[12]
2D nézet a nitinol kristályszerkezetéről a hűtési/fűtési ciklus során
Nagy nyomást lehet előállítani, ha megakadályozzuk a deformált martenzit ausztenitté való visszaalakulását – 240 MPa-ról (35,000 psi) sok esetben több mint 690 MPa-ra (100,{6}} psi). ). Az egyik oka annak, hogy a nitinol olyan keményen dolgozik, hogy visszanyerje eredeti formáját, az az, hogy nem csak egy közönséges fémötvözet, hanem egy intermetallikus vegyület. Egy közönséges ötvözetben az összetevők véletlenszerűen helyezkednek el a kristályrácsban; egy rendezett intermetallikus vegyületben az atomok (jelen esetben a nikkel és a titán) nagyon meghatározott helyet foglalnak el a rácsban.[13] Az a tény, hogy a nitinol intermetallikus, nagymértékben felelős az ötvözetből készült eszközök gyártásának bonyolultságáért.
Alkalmazások
Egy nitinol gemkapocs meghajlott és visszanyerte, miután forró vízbe helyezték
A nitinolhoz négy általánosan használt alkalmazási típus létezik:
Ingyenes helyreállítás
A nitinol alacsony hőmérsékleten deformálódik, deformálva marad, majd felmelegszik, hogy az alakmemória effektus révén visszanyerje eredeti formáját.
Korlátozott gyógyulás
Hasonló a szabad felépüléshez, kivéve, hogy a felépülést mereven megakadályozzák, és így stressz keletkezik.
Munka termelés
Az ötvözetnek szabad helyreállnia, de ehhez erővel szemben kell hatnia (tehát munkát végeznie).
Szuperrugalmasság
A nitinol szuperrugóként működik a szuperelasztikus hatás révén.
A szuperelasztikus anyagok feszültség által kiváltott átalakuláson mennek keresztül, és általában "alakmemória" tulajdonságukról ismerik fel. Szuperrugalmassága miatt a NiTi huzalok "elasztokalorikus" hatást mutatnak, ami feszültség által kiváltott fűtés/hűtés. A NiTi vezetékeket jelenleg kutatják, mint a technológia legígéretesebb anyagát. A folyamat a huzal húzóterhelésével kezdődik, aminek következtében a folyadék (a huzalon belül) a HHEX-be (forró hőcserélő) áramlik. Ezzel egyidejűleg hő távozik, amivel fel lehet fűteni a környezetet. A fordított folyamatban a huzal húzó tehermentesítése a CHEX-hez (hideg hőcserélő) áramló folyadékhoz vezet, aminek következtében a NiTi huzal hőt vesz fel a környezetből. Ezért a környezet hőmérséklete csökkenthető (hűthető).
Az elasztokalorikus eszközöket gyakran hasonlítják össze a magnetokalorikus eszközökkel, mint a hatékony fűtés/hűtés új módszereit. A NiTi huzalokkal készült elasztokalorikus eszköz fajlagos hűtőteljesítménye (2 Hz-en) miatt előnyben van a gadoliniummal készült magnetokalorikus eszközökkel szemben, ami 70X jobb (7 kWh/kg vs. 0,1 kWh/kg). Azonban a NiTi huzalokkal készült elektrokalorikus eszközöknek is vannak korlátai, például rövid kifáradási élettartama és nagy húzóerőtől való függése (energiafogyasztás).
