NITINOL formas atmiņas sakausējums
Niķeļa titāns, pazīstams arī kā nitinols, ir niķeļa un titāna metālu sakausējums, kurā abi elementi ir aptuveni vienādos atomu procentos. Dažādi sakausējumi tiek nosaukti pēc niķeļa svara procentiem; piemēram, nitinols 55 un nitinols 60.
Nitinola sakausējumiem ir divas cieši saistītas un unikālas īpašības: formas atmiņas efekts un superelastība (saukta arī par pseidoelastību). Formas atmiņa ir nitinola spēja deformēties vienā temperatūrā, palikt deformētajā formā, kad tiek noņemts ārējais spēks, un pēc tam atgūt sākotnējo, nedeformēto formu, uzkarsējot virs tās "transformācijas temperatūras".
NiTi savienojums.
Nitinola neparastās īpašības izriet no atgriezeniskas cietvielu fāzes transformācijas, kas pazīstama kā martensīta transformācija starp divām dažādām martensīta kristāla fāzēm, kam nepieciešami 69–138 MPa (10, 000–20, 000 psi). mehāniskais spriegums.
Augstās temperatūrās nitinols iegūst vienkāršu kubisku struktūru, kas iet caur austenītu (pazīstama arī kā pamatfāze). Zemā temperatūrā nitinols spontāni pārvēršas sarežģītākā monoklīniskā kristāliskā struktūrā, kas pazīstama kā martensīts (meitas fāze).[8] Ir četras pārejas temperatūras, kas saistītas ar austenīta-martensīta un martensīta-austenīta pārvērtībām. Sākot no pilna austenīta, sakausējumu atdzesējot līdz tā sauktajai martensīta sākuma temperatūrai jeb Ms, sāk veidoties martensīts, un temperatūru, kurā transformācija ir pabeigta, sauc par martensīta beigu temperatūru jeb Mf. Kad sakausējums ir pilnībā martensīts un tiek pakļauts karsēšanai, austenīts sāk veidoties austenīta sākuma temperatūrā As un beidzas austenīta beigu temperatūrā Af.[9]
Nitinola fāzes transformācijas termiskā histerēze
Dzesēšanas/sildīšanas cikls parāda termisko histerēzi. Histerēzes platums ir atkarīgs no precīza nitinola sastāva un apstrādes. Tās tipiskā vērtība ir temperatūras diapazons, kas aptver aptuveni 20–50 grādi (36–90 °F), bet to var samazināt vai pastiprināt, leģējot[10] un apstrādājot[11].
Divi galvenie šīs fāzes transformācijas aspekti ir nitinola īpašībām. Pirmkārt, transformācija ir "atgriezeniska", kas nozīmē, ka karsēšana virs transformācijas temperatūras atgriezīs kristāla struktūru uz vienkāršāku austenīta fāzi. Otrs galvenais punkts ir tāds, ka transformācija abos virzienos ir momentāna.
Martensīta kristāliskajai struktūrai (pazīstama kā monoklīniska jeb B19' struktūra) ir unikāla spēja dažos veidos pakļaut ierobežotu deformāciju, nepārraujot atomu saites. Šis deformācijas veids ir pazīstams kā sadraudzība, kas sastāv no atomu plakņu pārkārtošanās, neizraisot slīdēšanu vai paliekošu deformāciju. Šādā veidā tas spēj izturēt aptuveni 6–8% spriedzi. Kad martensīts karsējot tiek pārveidots par austenītu, tiek atjaunota sākotnējā austenīta struktūra neatkarīgi no tā, vai martensīta fāze ir deformēta. Tādējādi augstas temperatūras austenīta fāzes forma tiek "atcerēta", lai gan sakausējums ir stipri deformēts zemākā temperatūrā.[12]
Nitinola kristāliskās struktūras 2D skats dzesēšanas/sildīšanas cikla laikā
Lielu spiedienu var radīt, novēršot deformētā martensīta pārvēršanos par austenītu — no 240 MPa (35, 000 psi) līdz daudzos gadījumos vairāk nekā 690 MPa (100, 000 psi). ). Viens no iemesliem, kāpēc nitinols tik smagi strādā, lai atgrieztos sākotnējā formā, ir tas, ka tas nav tikai parasts metāla sakausējums, bet arī tas, kas pazīstams kā intermetālisks savienojums. Parastā sakausējumā sastāvdaļas ir nejauši novietotas kristāla režģī; sakārtotā intermetāliskā savienojumā atomiem (šajā gadījumā niķelim un titānam) ir ļoti noteiktas vietas režģī.[13] Fakts, ka nitinols ir intermetālisks, lielā mērā ir atbildīgs par no sakausējuma izgatavoto ierīču izgatavošanas sarežģītību.
Lietojumprogrammas
Nitinola saspraude saliecās un atguvās pēc ievietošanas karstā ūdenī
Ir četri parasti izmantotie nitinola lietojumu veidi:
Bezmaksas atgūšana
Nitinols tiek deformēts zemā temperatūrā, paliek deformēts un pēc tam tiek uzkarsēts, lai atgūtu sākotnējo formu, izmantojot formas atmiņas efektu.
Ierobežota atveseļošanās
Līdzīgi kā bezmaksas atveseļošanās, izņemot to, ka atveseļošanās tiek stingri novērsta un tādējādi tiek radīts stress.
Darba ražošana
Sakausējumam ir atļauts atgūties, bet, lai to izdarītu, tam ir jādarbojas pret spēku (tādējādi veicot darbu).
Superelastība
Nitinols darbojas kā superatspere, pateicoties superelastīgajam efektam.
Superelastīgie materiāli tiek pakļauti stresa izraisītām transformācijām, un tos parasti atzīst par to "formas atmiņas" īpašību. Pateicoties tā superelastībai, NiTi vadiem piemīt "elastokaloriju" efekts, kas ir stresa izraisīta sildīšana/dzesēšana. NiTi vadi pašlaik tiek pētīti kā visdaudzsološākais materiāls šai tehnoloģijai. Process sākas ar stiepes slodzi, kas liek šķidrumam (vadā) plūst uz HHEX (karsto siltummaini). Vienlaikus tiks izvadīts siltums, ko var izmantot apkārtnes apsildīšanai. Apgrieztā procesā stieples izkraušana stiepē noved pie šķidruma plūsmas uz CHEX (auksto siltummaini), liekot NiTi stieplei absorbēt siltumu no apkārtējās vides. Līdz ar to apkārtējās vides temperatūru var pazemināt (dzesēt).
Elastokaloriskās ierīces bieži tiek salīdzinātas ar magnetokaloriskām ierīcēm kā jaunas efektīvas sildīšanas/dzesēšanas metodes. Elastokaloriskajai ierīcei, kas izgatavota ar NiTi vadiem, ir priekšrocības salīdzinājumā ar magnetokaloriskām ierīcēm, kas izgatavotas no gadolīnija, pateicoties tās īpašajai dzesēšanas jaudai (pie 2 Hz), kas ir par 70X labāka (7 kWh/kg pret 0,1 kWh/kg). Tomēr elektrokaloriju ierīcēm, kas izgatavotas ar NiTi vadiem, ir arī ierobežojumi, piemēram, to īss noguruma kalpošanas laiks un atkarība no lieliem stiepes spēkiem (enerģiju patērējošiem).
