NITINOL legura s pamćenjem oblika
Nikal titan, također poznat kao nitinol, je metalna legura nikla i titana, gdje su dva elementa prisutna u približno jednakim atomskim postocima. Različite legure nazivaju se prema težinskom postotku nikla; npr. nitinol 55 i nitinol 60.
Legure nitinola pokazuju dva blisko povezana i jedinstvena svojstva: učinak pamćenja oblika i superelastičnost (također nazvanu pseudoelastičnost). Memorija oblika je sposobnost nitinola da se podvrgne deformaciji na jednoj temperaturi, ostane u svom deformiranom obliku kada se vanjska sila ukloni, a zatim povrati svoj izvorni, nedeformirani oblik nakon zagrijavanja iznad svoje "temperature transformacije".
NiTi spoj.
Neobična svojstva nitinola proizlaze iz reverzibilne fazne transformacije čvrstog stanja poznate kao martenzitna transformacija između dvije različite kristalne faze martenzita, za koju je potrebno 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) mehanički stres.
Na visokim temperaturama nitinol poprima prožimajuću jednostavnu kubičnu strukturu koja se naziva austenit (također poznata kao matična faza). Na niskim temperaturama, nitinol se spontano transformira u kompliciraniju monoklinsku kristalnu strukturu poznatu kao martenzit (faza kćer).[8] Postoje četiri prijelazne temperature povezane s transformacijama austenita u martenzit i martenzita u austenit. Počevši od punog austenita, martenzit se počinje formirati kako se legura hladi na takozvanu početnu temperaturu martenzita ili Ms, a temperatura na kojoj je transformacija završena naziva se završna temperatura martenzita ili Mf. Kada je legura potpuno martenzitna i podvrgnuta je zagrijavanju, austenit se počinje formirati na početnoj temperaturi austenita, As, i završava na temperaturi završetka austenita, Af.[9]
Toplinska histereza fazne transformacije nitinola
Ciklus hlađenja/grijanja pokazuje toplinsku histerezu. Širina histereze ovisi o preciznom sastavu i obradi nitinola. Njegova tipična vrijednost je temperaturni raspon koji se proteže oko 20-50 stupnjeva (36-90 stupnjeva F), ali se može smanjiti ili pojačati legiranjem[10] i preradom.[11]
Za svojstva nitinola ključna su dva ključna aspekta ove fazne transformacije. Prvo je da je transformacija "reverzibilna", što znači da će zagrijavanje iznad temperature transformacije vratiti kristalnu strukturu u jednostavniju austenitnu fazu. Druga ključna točka je da je transformacija u oba smjera trenutna.
Kristalna struktura martenzita (poznata kao monoklinska ili B19' struktura) ima jedinstvenu sposobnost podvrgavanja ograničenoj deformaciji na neki način bez kidanja atomskih veza. Ova vrsta deformacije poznata je kao twinning, koja se sastoji od preraspodjele atomskih ravnina bez uzrokovanja klizanja ili trajne deformacije. Na ovaj način može podnijeti naprezanje od oko 6-8%. Kada se martenzit zagrijavanjem vrati u austenit, vraća se izvorna austenitna struktura, bez obzira na to je li martenzitna faza deformirana. Tako se "zapamti" oblik visokotemperaturne austenitne faze, iako je legura ozbiljno deformirana na nižoj temperaturi.[12]
2D prikaz kristalne strukture nitinola tijekom ciklusa hlađenja/grijanja
Može se proizvesti velik pritisak sprječavanjem pretvorbe deformiranog martenzita u austenit - od 240 MPa (35,000 psi) do, u mnogim slučajevima, više od 690 MPa (100,000 psi ). Jedan od razloga zašto se nitinol toliko trudi vratiti u svoj izvorni oblik je to što nije samo obična metalna legura, već ono što je poznato kao intermetalni spoj. U običnoj slitini, sastojci su nasumično smješteni u kristalnoj rešetki; u uređenom intermetalnom spoju, atomi (u ovom slučaju, nikal i titan) imaju vrlo specifične položaje u rešetki.[13] Činjenica da je nitinol intermetal uvelike je odgovorna za složenost izrade uređaja izrađenih od te legure.
Prijave
Spajalica od nitinola savijena i oporavljena nakon što je stavljena u vruću vodu
Postoje četiri najčešće korištene vrste aplikacija za nitinol:
Besplatan oporavak
Nitinol se deformira na niskoj temperaturi, ostaje deformiran, a zatim se zagrijava kako bi povratio svoj izvorni oblik kroz efekt pamćenja oblika.
Ograničeni oporavak
Slično besplatnom oporavku, osim što je oporavak kruto spriječen i tako se stvara stres.
Proizvodnja rada
Leguri je dopušteno da se oporavi, ali da bi to učinila mora djelovati protiv sile (i tako izvršiti rad).
Superelastičnost
Nitinol djeluje kao super opruga kroz superelastični učinak.
Superelastični materijali prolaze kroz transformaciju izazvanu naprezanjem i općenito su prepoznati po svojstvu "pamćenja oblika". Zbog svoje superelastičnosti, NiTi žice pokazuju "elastokalorični" učinak, što je zagrijavanje/hlađenje izazvano stresom. NiTi žice trenutno se istražuju kao materijal koji najviše obećava za ovu tehnologiju. Proces počinje vlačnim opterećenjem žice, što uzrokuje protok tekućine (unutar žice) u HHEX (vrući izmjenjivač topline). Istodobno će se izbaciti toplina koja se može koristiti za zagrijavanje okoline. U obrnutom procesu, vlačno rasterećenje žice dovodi do protoka tekućine u CHEX (hladni izmjenjivač topline), uzrokujući da NiTi žica apsorbira toplinu iz okoline. Stoga se temperatura okoline može smanjiti (hladiti).
Elastokalorični uređaji se često uspoređuju s magnetokalorijskim uređajima kao novim metodama učinkovitog grijanja/hlađenja. Elastokalorični uređaj napravljen od NiTi žica ima prednost u odnosu na magnetokalorične uređaje napravljene od gadolinija zbog svoje specifične snage hlađenja (pri 2 Hz), koja je 70X bolja (7 kWh/kg naspram 0,1 kWh/kg). Međutim, elektrokalorični uređaji napravljeni od NiTi žica također imaju ograničenja, kao što je njihov kratki vijek trajanja i ovisnost o velikim vlačnim silama (utrošak energije).
