NITINOL formos atminties lydinys
Nikelio titanas, taip pat žinomas kaip nitinolis, yra nikelio ir titano metalų lydinys, kuriame šių dviejų elementų atominis procentas yra maždaug vienodas. Įvairūs lydiniai įvardijami pagal nikelio masės procentą; pvz., nitinolis 55 ir nitinolis 60.
Nitinolio lydiniai turi dvi glaudžiai susijusias ir unikalias savybes: formos atminties efektą ir superelastingumą (taip pat vadinamą pseudoelastingumu). Formos atmintis – tai nitinolio gebėjimas deformuotis esant vienai temperatūrai, išlikti deformuotoje formoje, kai pašalinama išorinė jėga, ir atgauti savo pradinę, nedeformuotą formą, kai kaitinama virš „transformacijos temperatūros“.
NiTi junginys.
Neįprastos nitinolio savybės atsiranda dėl grįžtamosios kietojo kūno fazės transformacijos, žinomos kaip martensitinė transformacija tarp dviejų skirtingų martensito kristalų fazių, kuriai reikia 69–138 MPa (10, 000–20, 000 psi) mechaninis įtempis.
Esant aukštai temperatūrai, nitinolis įgauna nesuderinamą paprastą kubinę struktūrą, vadinamą austenitu (taip pat žinoma kaip pradinė fazė). Esant žemai temperatūrai, nitinolis spontaniškai virsta sudėtingesne monoklinine kristalų struktūra, žinoma kaip martensitas (dukterinė fazė).[8] Yra keturios perėjimo temperatūros, susijusios su transformacijomis iš austenito į martensitą ir iš martensito į austenitą. Pradedant nuo pilno austenito, martensitas pradeda formuotis, kai lydinys atšaldomas iki vadinamosios martensito pradžios temperatūros arba Ms, o temperatūra, kurioje transformacija baigiasi, vadinama martensito apdailos temperatūra arba Mf. Kai lydinys yra visiškai martensitas ir yra kaitinamas, austenitas pradeda formuotis esant austenito pradžios temperatūrai As ir baigiasi austenito baigimo temperatūroje Af.[9]
Nitinolio fazės transformacijos terminė histerezė
Aušinimo / šildymo ciklas rodo šiluminę histerezę. Histerezės plotis priklauso nuo tikslios nitinolio sudėties ir apdorojimo. Jo tipinė vertė yra maždaug 20–50 laipsnių (36–90 laipsnių F) temperatūros diapazonas, tačiau jį galima sumažinti arba sustiprinti legiruojant[10] ir apdorojant.[11]
Du pagrindiniai šios fazės transformacijos aspektai yra labai svarbūs nitinolio savybėms. Pirma, transformacija yra „grįžtama“, o tai reiškia, kad kaitinant virš transformacijos temperatūros kristalo struktūra sugrįš į paprastesnę austenito fazę. Antras esminis dalykas yra tai, kad transformacija abiem kryptimis vyksta akimirksniu.
Martensito kristalinė struktūra (žinoma kaip monoklinika arba B19' struktūra) turi unikalią savybę tam tikrais būdais ribotai deformuotis nepažeidžiant atominių ryšių. Šis deformacijos tipas yra žinomas kaip susigiminiavimas, kurį sudaro atominių plokštumų pertvarkymas nesukeliant slydimo arba nuolatinės deformacijos. Tokiu būdu jis gali patirti apie 6–8% įtampą. Kai kaitinant martensitas paverčiamas austenitu, atkuriama pirminė austenitinė struktūra, nepaisant to, ar martensito fazė buvo deformuota. Taip „prisimenama“ aukštos temperatūros austenito fazės forma, nors lydinys stipriai deformuojasi žemesnėje temperatūroje.[12]
Nitinolio kristalinės struktūros 2D vaizdas aušinimo / šildymo ciklo metu
Neleidžiant deformuotam martensitui virsti austenitu, galima sukurti didelį slėgį nuo 240 MPa (35, 000 psi) iki, daugeliu atvejų, daugiau nei 690 MPa (100, 000 psi). ). Viena iš priežasčių, kodėl nitinolis taip sunkiai dirba, kad sugrįžtų į pradinę formą, yra ta, kad tai ne tik paprastas metalų lydinys, bet ir tai, kas žinoma kaip intermetalinis junginys. Įprastame lydinyje sudedamosios dalys yra atsitiktinai išdėstytos kristalinėje gardelėje; sutvarkytame intermetaliniame junginyje atomai (šiuo atveju nikelis ir titanas) turi labai specifines vietas gardelėse.[13] Tai, kad nitinolis yra intermetalinė medžiaga, daugiausia lemia iš lydinio pagamintų prietaisų sudėtingumą.
Programos
Nitinolio sąvaržėlė sulinko ir atsigavo po to, kai buvo įdėta į karštą vandenį
Yra keturi dažniausiai naudojami nitinolio taikymo tipai:
Nemokamas atkūrimas
Nitinolis deformuojasi žemoje temperatūroje, išlieka deformuotas, o po to kaitinamas, kad atgautų pradinę formą, naudojant formos atminties efektą.
Suvaržytas atsigavimas
Panašiai kaip nemokamas atsigavimas, išskyrus tai, kad atsigavimui griežtai užkertamas kelias ir taip sukuriamas stresas.
Darbo gamyba
Lydiniui leidžiama atsigauti, tačiau norint tai padaryti, jis turi veikti prieš jėgą (taip atlikti darbą).
Superelastingumas
Dėl superelastingo poveikio nitinolis veikia kaip super spyruoklė.
Superelastinės medžiagos patiria streso sukeltą transformaciją ir yra plačiai žinomos dėl savo „formos atminties“ savybių. Dėl savo superelastingumo NiTi laidai pasižymi „elastokaloriniu“ efektu, kuris yra įtempių sukeltas šildymas / vėsinimas. Šiuo metu NiTi laidai yra tiriami kaip perspektyviausia šios technologijos medžiaga. Procesas prasideda nuo tempimo apkrovos ant vielos, dėl kurios skystis (laidoje) patenka į HHEX (karštą šilumokaitį). Tuo pačiu metu bus pašalinta šiluma, kurią galima panaudoti aplinkai šildyti. Atvirkštiniame procese dėl tempiamojo laido iškrovimo skystis patenka į CHEX (šaltą šilumokaitį), todėl NiTi viela sugeria šilumą iš aplinkos. Todėl galima sumažinti (vėsinti) aplinkos temperatūrą.
Elastokaloriniai prietaisai dažnai lyginami su magnetokaloriniais prietaisais kaip nauji efektyvaus šildymo/vėsinimo būdai. Elastokalorinis įrenginys, pagamintas iš NiTi laidų, turi pranašumą prieš magnetokalorinius įrenginius, pagamintus iš gadolinio, dėl specifinės aušinimo galios (esant 2 Hz), kuri yra 70X geresnė (7 kWh/kg, palyginti su 0,1 kWh/kg). Tačiau elektrokaloriniai prietaisai, pagaminti iš NiTi laidų, taip pat turi apribojimų, pvz., trumpą nuovargio tarnavimo laiką ir priklausomybę nuo didelių tempimo jėgų (sunaudojančių energiją).
