NITINOL muoto muisti seos

Nikkelititaani, joka tunnetaan myös nimellä nitinoli, on nikkelin ja titaanin metalliseos, jossa näitä kahta alkuainetta on suunnilleen yhtä suurena atomiprosentteina. Eri lejeeringit on nimetty nikkelin painoprosentin mukaan; esim. nitinoli 55 ja nitinoli 60.

Nitinolilejeeringeillä on kaksi läheisesti liittyvää ja ainutlaatuista ominaisuutta: muodon muistiefekti ja superelastisuus (kutsutaan myös pseudoelastiseksi). Muotomuisti on nitinolin kyky muuttaa muotoaan yhdessä lämpötilassa, pysyä epämuodostuneessa muodossaan, kun ulkoinen voima poistetaan, ja sitten palauttaa alkuperäisen, epämuodostuneen muotonsa kuumennettaessa "muutoslämpötilansa" yläpuolelle.

NiTi-yhdiste.

Nitinolin epätavalliset ominaisuudet johtuvat käänteisestä kiinteän olomuodon faasimuutoksesta, joka tunnetaan martensiittisena muutoksena kahden eri martensiittikidefaasin välillä ja joka vaatii 69–138 MPa (10,000–20, 000 psi) mekaaninen rasitus.

Korkeissa lämpötiloissa nitinolilla on läpitunkeutuva yksinkertainen kuutiorakenne, jota kutsutaan austeniitiksi (tunnetaan myös emäfaasina). Alhaisissa lämpötiloissa nitinoli muuttuu spontaanisti monimutkaisemmaksi monokliiniseksi kiderakenteeksi, joka tunnetaan nimellä martensiitti (tytärfaasi).[8] Austeniitista martensiitiksi ja martensiitista austeniitiksi muunnoksiin liittyy neljä siirtymälämpötilaa. Täydestä austeniitista alkaen martensiittia alkaa muodostua, kun seos jäähdytetään ns. martensiitin aloituslämpötilaan tai Ms, ja lämpötilaa, jossa muunnos on valmis, kutsutaan martensiitin viimeistelylämpötilaksi tai Mf. Kun seos on täysin martensiittista ja sitä kuumennetaan, austeniittia alkaa muodostua austeniitin aloituslämpötilassa As ja päättyy austeniitin viimeistelylämpötilassa Af.[9]

Nitinolin faasimuutoksen lämpöhystereesi

Jäähdytys/lämmitysjakso näyttää termistä hystereesiä. Hystereesin leveys riippuu tarkasta nitinolikoostumuksesta ja käsittelystä. Sen tyypillinen arvo on noin 20–50 astetta (36–90 astetta F) ulottuva lämpötila-alue, mutta sitä voidaan alentaa tai vahvistaa seostamalla[10] ja prosessoimalla.[11]

Ratkaisevat nitinolin ominaisuudet ovat kaksi avainasiaa tässä faasimuutoksessa. Ensinnäkin muunnos on "käännettävissä oleva", mikä tarkoittaa, että kuumennus muunnoslämpötilan yläpuolelle palauttaa kiderakenteen yksinkertaisempaan austeniittifaasiin. Toinen keskeinen kohta on, että muutos molempiin suuntiin on välitön.

Martensiitin kiderakenteella (tunnetaan nimellä monokliininen tai B19'-rakenne) on ainutlaatuinen kyky läpikäydä rajoitetusti muodonmuutoksia joillakin tavoilla rikkomatta atomisidoksia. Tämän tyyppinen muodonmuutos tunnetaan nimellä twinning, joka koostuu atomitasojen uudelleenjärjestelystä aiheuttamatta liukumista tai pysyvää muodonmuutosta. Se kestää noin 6–8 % rasitusta tällä tavalla. Kun martensiitti muutetaan austeniitiksi kuumentamalla, alkuperäinen austeniittinen rakenne palautuu riippumatta siitä, onko martensiittifaasi deformoitunut. Siten korkean lämpötilan austeniittifaasin muoto "muistuu", vaikka seoksen muoto muuttuu vakavasti alemmassa lämpötilassa.[12]

2D-näkymä nitinolin kiderakenteesta jäähdytys-/lämmityssyklin aikana

Suuri paine voidaan tuottaa estämällä epämuodostuneen martensiitin palautuminen austeniitiksi - 240 MPa:sta (35,{3}} psi) monissa tapauksissa yli 690 MPa:iin (100,{6}} psi) ). Yksi syy siihen, miksi nitinoli pyrkii niin kovasti palauttamaan alkuperäisen muotoonsa, on se, että se ei ole vain tavallinen metalliseos, vaan se, joka tunnetaan metallien välisenä yhdisteenä. Tavallisessa lejeeringissä ainesosat on sijoitettu satunnaisesti kidehilaan; järjestetyssä metallien välisessä yhdisteessä atomeilla (tässä tapauksessa nikkelillä ja titaanilla) on hyvin erityiset paikat hilassa.[13] Se, että nitinoli on metallien välinen aine, on suurelta osin vastuussa metalliseoksesta valmistettujen laitteiden monimutkaisuudesta.

Sovellukset

Nitinolipaperiliitin vääntyi ja palautui kuumaan veteen asettamisen jälkeen

Nitinolille on neljä yleisesti käytettyä sovellustyyppiä:

Ilmainen palautus

Nitinoli muuttaa muotoaan alhaisessa lämpötilassa, pysyy epämuodostuneena ja sitten kuumennetaan palauttaakseen alkuperäisen muotonsa muotomuistiefektin kautta.

Rajoitettu palautuminen

Samanlainen kuin vapaa palautuminen, paitsi että palautuminen estetään jäykästi ja siten syntyy stressiä.

Työn tuotanto

Seoksen annetaan palautua, mutta tehdäkseen niin sen on toimittava voimaa vastaan ​​(tehtävä siten työtä).

Superelastisuus

Nitinoli toimii superjousena superelastisen vaikutuksen ansiosta.

Superelastiset materiaalit käyvät läpi jännityksen aiheuttaman muodonmuutoksen, ja ne tunnetaan yleisesti niiden "muotomuistin" ominaisuudesta. Superelastisuutensa ansiosta NiTi-langoilla on "elastokalorinen" vaikutus, joka on jännityksen laukaisemaa lämmitystä/jäähdytystä. NiTi-langat ovat tällä hetkellä tutkimusten alla tekniikan lupaavimpana materiaalina. Prosessi alkaa langan vetokuormituksella, joka saa nesteen (langan sisällä) virtaamaan HHEXiin (kuuma lämmönvaihdin). Samalla poistuu lämpöä, jota voidaan käyttää ympäristön lämmittämiseen. Käänteisessä prosessissa langan kuormituksen purkaminen johtaa nesteen virtaamiseen CHEXiin (kylmä lämmönvaihdin), jolloin NiTi-lanka imee lämpöä ympäristöstä. Siksi ympäristön lämpötilaa voidaan alentaa (jäähdyttää).

Elastokalorisia laitteita verrataan usein magneettilämpölaitteisiin uusina tehokkaan lämmityksen/jäähdytyksen menetelminä. NiTi-langoilla valmistetulla elastokalorisella laitteella on etu gadoliniumilla valmistettuihin magnetokalorisiin laitteisiin verrattuna sen ominaisjäähdytystehon (2 Hz:llä), joka on 70X parempi (7 kWh/kg vs. 0,1 kWh/kg). NiTi-langoilla valmistetuilla sähkökalorisilla laitteilla on kuitenkin myös rajoituksia, kuten niiden lyhyt väsymisikä ja riippuvuus suurista vetovoimista (energiaa kuluttava).