НІТІНОЛ - сплав із пам'яттю форми
Титановий нікель, також відомий як нітінол, є металевим сплавом нікелю та титану, де два елементи присутні приблизно в однакових атомних відсотках. Різні сплави називаються відповідно до масового вмісту нікелю; наприклад, нітинол 55 і нітінол 60.
Нітинолові сплави демонструють дві тісно пов’язані та унікальні властивості: ефект пам’яті форми та надпружність (також звану псевдопружністю). Пам'ять форми - це здатність нітинолу деформуватися при одній температурі, залишатися у своїй деформованій формі після усунення зовнішньої сили, а потім відновлювати свою початкову недеформовану форму при нагріванні вище його "температури перетворення".
Сполука NiTi.
Незвичайні властивості нітинолу випливають із оборотного твердотільного фазового перетворення, відомого як мартенситне перетворення між двома різними кристалічними фазами мартенситу, яке вимагає 69–138 МПа (10,000–20,000 psi) механічне навантаження.
При високих температурах нітінол набуває взаємопроникну просту кубічну структуру, звану аустенітом (також відомий як вихідна фаза). При низьких температурах нітинол спонтанно перетворюється на більш складну моноклінну кристалічну структуру, відому як мартенсит (дочірня фаза).[8] Існує чотири температури переходу, пов'язані з перетвореннями аустеніту в мартенсит і мартенситу в аустеніт. Починаючи з повного аустеніту, починає утворюватися мартенсит, коли сплав охолоджується до так званої початкової температури мартенситу або Ms, а температура, при якій завершується перетворення, називається кінцевою температурою мартенситу або Mf. Коли сплав повністю мартенситний і піддається нагріванню, аустеніт починає утворюватися при початковій температурі аустеніту, As, і закінчується при кінцевій температурі аустеніту, Af.[9]
Термічний гістерезис фазового перетворення нітинолу
Цикл охолодження/нагрівання демонструє тепловий гістерезис. Ширина гістерезису залежить від точного складу нітинолу та обробки. Його типове значення – це температурний діапазон, що охоплює приблизно 20–50 градусів (36–90 градусів за Фаренгейтом), але його можна зменшити або посилити легуванням [10] і обробкою [11].
Вирішальними для властивостей нітинолу є два ключових аспекти цього фазового перетворення. По-перше, перетворення є «оборотним», тобто нагрівання вище температури перетворення поверне кристалічну структуру до простішої фази аустеніту. Другий ключовий момент полягає в тому, що трансформація в обох напрямках відбувається миттєво.
Кристалічна структура мартенситу (відома як моноклінна, або структура B19') має унікальну здатність певним чином зазнавати обмеженої деформації без розриву атомних зв'язків. Цей тип деформації відомий як двійникування, яке полягає в перестановці атомних площин без ковзання або постійної деформації. Таким чином він здатний зазнавати деформації приблизно на 6–8%. Коли мартенсит повертається в аустеніт шляхом нагрівання, вихідна аустенітна структура відновлюється, незалежно від того, чи була мартенситна фаза деформована. Таким чином, форма високотемпературної фази аустеніту «запам'ятовується», навіть якщо сплав сильно деформується при більш низькій температурі [12].
2D вигляд кристалічної структури нітинолу під час циклу охолодження/нагрівання
Значний тиск можна створити, запобігаючи реверсії деформованого мартенситу в аустеніт — від 240 МПа (35,000 psi) до, у багатьох випадках, понад 690 МПа (100,000 psi) ). Однією з причин, чому нітінол так важко повертається до своєї первісної форми, є те, що це не просто звичайний металевий сплав, а те, що називається інтерметалічним з’єднанням. У звичайному сплаві компоненти розташовані в кристалічній решітці випадковим чином; в упорядкованому інтерметалічному з'єднанні атоми (в даному випадку нікелю і титану) мають дуже специфічні розташування в решітці.[13] Той факт, що нітинол є інтерметалідом, значною мірою відповідає за складність виготовлення пристроїв із цього сплаву.
Додатки
Нітинолова скріпка зігнута та відновилася після того, як її помістили в гарячу воду
Існує чотири типові застосування нітинолу:
Безкоштовне відновлення
Нітинол деформується при низькій температурі, залишається деформованим, а потім нагрівається, щоб відновити свою початкову форму завдяки ефекту пам’яті форми.
Обмежене відновлення
Подібно до безкоштовного відновлення, за винятком того, що відновлення жорстко перешкоджає, і таким чином створюється стрес.
Виробництво праці
Сплав може відновитися, але для цього він повинен діяти проти сили (таким чином, виконуючи роботу).
Супереластичність
Нітинол діє як суперпружина завдяки супереластичному ефекту.
Надпружні матеріали зазнають трансформації, викликаної напругою, і загальновизнані завдяки своїй властивості «пам’яті форми». Завдяки своїй супереластичності дроти NiTi виявляють «пружнокалорійний» ефект, тобто нагрівання/охолодження, викликане напругою. NiTi дроти в даний час досліджуються як найбільш перспективний матеріал для технології. Процес починається з розтягуючого навантаження на дріт, що змушує рідину (всередині дроту) надходити в HHEX (гарячий теплообмінник). Одночасно буде виділятися тепло, яке можна використовувати для обігріву навколишнього середовища. У зворотному процесі розтягування дроту призводить до течії рідини в CHEX (холодний теплообмінник), змушуючи NiTi дріт поглинати тепло з навколишнього середовища. Тому температуру навколишнього середовища можна знизити (охолодити).
Еластокалоричні пристрої часто порівнюють з магнітокалоричними пристроями як нові методи ефективного нагріву/охолодження. Еластокалорійний пристрій, виготовлений із дротів NiTi, має перевагу перед магнітокалоричними пристроями, виготовленими з гадолінієм, завдяки своїй питомій потужності охолодження (при 2 Гц), яка в 70разів краща (7 кВт·год/кг порівняно з 0,1 кВт·год/кг). Однак електрокалоричні пристрої, виготовлені з дротів NiTi, також мають обмеження, такі як короткий термін служби втоми та залежність від великих сил розтягування (споживання енергії).
