NITINOL Shape Memory Alloy
Nikkel títan, einnig þekkt sem nítínól, er málmblanda úr nikkel og títan, þar sem frumefnin tvö eru til staðar í nokkurn veginn jöfnum atómhlutfalli. Mismunandi málmblöndur eru nefnd eftir þyngdarprósentu nikkels; td nítínól 55 og nítínól 60.
Nitínól málmblöndur sýna tvo náskylda og einstaka eiginleika: formminnisáhrifin og ofurteygjanleika (einnig kallað gerviteygni). Formminni er hæfileiki nítínóls til að aflagast við eitt hitastig, halda sér í vansköpuðu lögun sinni þegar ytri krafturinn er fjarlægður og endurheimta síðan upprunalega, vansköpuðu lögun sína við hitun yfir "umbreytingarhitastigi."
NiTi efnasamband.
Óvenjulegir eiginleikar nítínóls eru fengnir af afturkræfri fasaumbreytingu í föstu formi sem kallast martensítbreyting milli tveggja mismunandi martensítkristallfasa, sem krefst 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) af vélrænni streitu.
Við háan hita tekur nítínól á sig gagnkvæma einfalda teningsbyggingu sem vísað er til sem austenít (einnig þekkt sem móðurfasinn). Við lágt hitastig umbreytist nítínól sjálfkrafa í flóknari einklíníska kristalbyggingu sem kallast martensít (dótturfasi).[8] Það eru fjögur umbreytingshitastig sem tengjast austenít-til-martensít og martensít-til-austenítumbreytingum. Byrjað er á fullu austeníti, martensít byrjar að myndast þegar málmblönduna er kælt niður í svokallað martensít upphafshitastig eða Ms, og hitastigið sem umbreytingin er lokið við er kallað martensít lokahitastig, eða Mf. Þegar málmblendin er að fullu martensít og er hitað, byrjar austenít að myndast við austenít upphafshitastig, As, og lýkur við austenít lokahitastig, Af.[9]
Hitahysteresis fasabreytingar nítínóls
Kæling/hitunarlotan sýnir hitauppstreymi. Hysteresisbreiddin fer eftir nákvæmri nítínólsamsetningu og vinnslu. Dæmigert gildi þess er hitastig sem spannar um það bil 20–50 gráður (36–90 gráður F) en hægt er að minnka það eða magna það með málmblöndur[10] og vinnslu.[11]
Afgerandi fyrir nítínól eiginleika eru tveir lykilþættir þessarar fasabreytingar. Í fyrsta lagi er umbreytingin "afturkræf", sem þýðir að hitun yfir umbreytingarhitastiginu mun snúa kristalbyggingunni aftur í einfaldari austenítfasa. Annað lykilatriðið er að umbreytingin í báðar áttir er samstundis.
Kristalbygging Martensíts (þekkt sem einklínísk eða B19' uppbygging) hefur þann einstaka hæfileika að gangast undir takmarkaða aflögun á einhvern hátt án þess að rjúfa atómtengi. Þessi tegund af aflögun er þekkt sem tvíburar, sem samanstendur af endurskipulagningu atómplana án þess að valda skriðu eða varanlegri aflögun. Það er fær um að þola um 6–8% álag á þennan hátt. Þegar martensít er breytt í austenít með upphitun er upprunaleg austenítísk uppbygging endurheimt, óháð því hvort martensítfasinn hafi verið vansköpuð. Þannig er lögun háhita austenítfasans "munað" jafnvel þó að málmblöndunni sé verulega vansköpuð við lægra hitastig.[12]
Tvívídd mynd af kristalbyggingu nítínóls meðan á kælingu/hitunarferlinu stendur
Það er hægt að framleiða mikinn þrýsting með því að koma í veg fyrir að vansköpuð martensít breytist í austenít - úr 240 MPa (35,000 psi) í, í mörgum tilfellum, meira en 690 MPa (100,000 psi) ). Ein af ástæðunum fyrir því að nítínól vinnur svo mikið að því að fara aftur í upprunalega lögun er sú að það er ekki bara venjulegt málmblendi, heldur það sem er þekkt sem millimálmasamband. Í venjulegri málmblöndu eru efnisþættirnir staðsettir af handahófi í kristalgrindunum; í skipulögðu millimálmasambandi hafa atómin (í þessu tilfelli nikkel og títan) mjög sérstakar staðsetningar í grindunum.[13] Sú staðreynd að nítínól er millimálmefni er að miklu leyti ábyrg fyrir því hversu flókið það er að búa til tæki úr málmblöndunni.
Umsóknir
Nitinol bréfaklemmi beygði sig og jafnaði sig eftir að hafa verið settur í heitt vatn
Það eru fjórar algengar tegundir af forritum fyrir nítínól:
Ókeypis bati
Nítínól afmyndast við lágt hitastig, er áfram aflöguð og er síðan hituð til að endurheimta upprunalega lögun sína með formminnisáhrifum.
Hefðbundinn bati
Svipað og frjálsan bata, nema hvað það er stíft komið í veg fyrir bata og þannig myndast streita.
Vinnuframleiðsla
Málblöndunni er leyft að jafna sig, en til þess verður það að virka gegn krafti (svona vinna).
Ofurteygjanleiki
Nitinol virkar sem ofurfjöður í gegnum ofurteygjanlega áhrifin.
Ofurteygjanleg efni gangast undir umbreytingu af völdum streitu og eru almennt viðurkennd fyrir "formminni" eiginleika þeirra. Vegna ofurteygjanleika sýna NiTi vírar „teygjukalorísk“ áhrif, sem er hitun/kæling af völdum streitu. NiTi vírar eru nú í rannsóknum sem vænlegasta efnið fyrir tæknina. Ferlið hefst með toghleðslu á vírinn sem veldur því að vökvi (innan vírsins) flæðir til HHEX (heita varmaskipta). Jafnframt verður varmi borinn út sem hægt er að nota til að hita umhverfið. Í öfugu ferli leiðir toglosun vírsins til þess að vökvi flæðir til CHEX (kalda varmaskiptir), sem veldur því að NiTi vírinn dregur í sig hita frá umhverfinu. Þess vegna er hægt að lækka (kæla) hitastig umhverfisins.
Elastocaloric tæki eru oft borin saman við magnetocaloric tæki sem nýjar aðferðir við skilvirka hitun / kælingu. Elastocaloric tæki framleitt með NiTi vírum hefur yfirburði fram yfir segulmagnaðir tæki sem eru framleidd með gadolinium vegna sérstakrar kælingarafls (við 2 Hz), sem er 70X betri (7 kWh/kg á móti 0,1 kWh/kg). Hins vegar hafa hitaeiningatæki sem eru framleidd með NiTi vírum einnig takmarkanir, svo sem stuttan þreytulíf og háð miklum togkrafti (orkufrekt).
