Zliatina s tvarovou pamäťou NITINOL
Nikel titán, tiež známy ako nitinol, je kovová zliatina niklu a titánu, kde sú tieto dva prvky prítomné v približne rovnakých atómových percentách. Rôzne zliatiny sú pomenované podľa hmotnostného percenta niklu; napr. nitinol 55 a nitinol 60.
Zliatiny nitinolu vykazujú dve úzko súvisiace a jedinečné vlastnosti: efekt tvarovej pamäte a superelasticitu (nazývanú aj pseudoelasticita). Tvarová pamäť je schopnosť nitinolu podstúpiť deformáciu pri jednej teplote, zostať vo svojom deformovanom tvare, keď sa odstráni vonkajšia sila, a potom obnoviť svoj pôvodný, nedeformovaný tvar po zahriatí nad svoju "transformačnú teplotu".
zlúčenina NiTi.
Nezvyčajné vlastnosti nitinolu sú odvodené z reverzibilnej transformácie pevnej fázy známej ako martenzitická transformácia medzi dvoma rôznymi kryštalickými fázami martenzitu, ktorá vyžaduje 69–138 MPa (10,{4}}–20,000 psi) mechanické namáhanie.
Pri vysokých teplotách nitinol nadobúda prenikajúcu jednoduchú kubickú štruktúru označovanú ako austenit (známy aj ako materská fáza). Pri nízkych teplotách sa nitinol spontánne premieňa na komplikovanejšiu monoklinickú kryštálovú štruktúru známu ako martenzit (dcérska fáza).[8] Existujú štyri prechodové teploty spojené s transformáciami austenitu na martenzit a martenzitu na austenit. Počnúc úplným austenitom sa martenzit začne tvoriť, keď sa zliatina ochladí na takzvanú počiatočnú teplotu martenzitu alebo Ms, a teplota, pri ktorej je transformácia dokončená, sa nazýva konečná teplota martenzitu alebo Mf. Keď je zliatina plne martenzitická a je vystavená zahrievaniu, austenit sa začne vytvárať pri počiatočnej teplote austenitu As a končí pri konečnej teplote austenitu Af.[9]
Tepelná hysteréza fázovej transformácie nitinolu
Cyklus chladenia/ohrievania vykazuje tepelnú hysterézu. Šírka hysterézie závisí od presného zloženia a spracovania nitinolu. Jeho typická hodnota je rozsah teplôt okolo 20–50 stupňov (36–90 stupňov F), ale môže sa znížiť alebo zosilniť legovaním[10] a spracovaním.[11]
Rozhodujúce vlastnosti nitinolu sú dva kľúčové aspekty tejto fázovej transformácie. Prvým je, že transformácia je "reverzibilná", čo znamená, že zahrievanie nad transformačnú teplotu vráti kryštálovú štruktúru na jednoduchšiu austenitickú fázu. Druhým kľúčovým bodom je, že transformácia v oboch smeroch je okamžitá.
Kryštálová štruktúra martenzitu (známa ako monoklinická alebo štruktúra B19') má jedinečnú schopnosť určitým spôsobom podliehať obmedzenej deformácii bez porušenia atómových väzieb. Tento typ deformácie je známy ako twinning, ktorý pozostáva z preskupenia atómových rovín bez spôsobenia sklzu alebo trvalej deformácie. Týmto spôsobom je schopný podstúpiť asi 6-8% záťaž. Keď sa martenzit zahrievaním zmení na austenit, obnoví sa pôvodná austenitická štruktúra bez ohľadu na to, či bola martenzitická fáza deformovaná. Tak sa tvar vysokoteplotnej austenitickej fázy „zapamätá“, aj keď je zliatina silne deformovaná pri nižšej teplote.[12]
2D pohľad na kryštalickú štruktúru nitinolu počas cyklu chladenia/ohrievania
Zabránením reverzie deformovaného martenzitu na austenit je možné vytvoriť veľký tlak – z 240 MPa (35,000 psi) na v mnohých prípadoch viac ako 690 MPa (100,{6}} psi) ). Jedným z dôvodov, prečo sa nitinol tak usilovne vracia do svojho pôvodného tvaru, je to, že to nie je len obyčajná kovová zliatina, ale to, čo je známe ako intermetalická zlúčenina. V bežnej zliatine sú zložky náhodne umiestnené v kryštálovej mriežke; v usporiadanej intermetalickej zlúčenine majú atómy (v tomto prípade nikel a titán) veľmi špecifické umiestnenie v mriežke.[13] Skutočnosť, že nitinol je intermetalická látka, je do značnej miery zodpovedná za zložitosť výroby zariadení vyrobených zo zliatiny.
Aplikácie
Nitinolová kancelárska sponka sa po vložení do horúcej vody ohýbala a obnovila
Existujú štyri bežne používané typy aplikácií pre nitinol:
Bezplatné zotavenie
Nitinol sa deformuje pri nízkej teplote, zostáva deformovaný a potom sa zahrieva, aby sa obnovil jeho pôvodný tvar prostredníctvom efektu tvarovej pamäte.
Obmedzené zotavenie
Podobne ako pri voľnom zotavení, s tým rozdielom, že zotaveniu sa prísne bráni a tým vzniká stres.
Výroba práce
Zliatina sa nechá zotaviť, ale na to musí pôsobiť proti sile (a teda vykonávať prácu).
Superelasticita
Nitinol pôsobí ako superpružina prostredníctvom superelastického efektu.
Superelastické materiály podliehajú transformácii vyvolanej stresom a sú všeobecne uznávané pre svoju vlastnosť „tvarovej pamäte“. Vďaka svojej superelasticite vykazujú NiTi drôty „elastokalorický“ efekt, ktorým je zahrievanie/chladenie vyvolané stresom. NiTi drôty sú v súčasnosti vo výskume ako najsľubnejší materiál pre túto technológiu. Proces začína ťahovým zaťažením drôtu, čo spôsobí, že tekutina (v rámci drôtu) prúdi do HHEX (horúci výmenník tepla). Zároveň dôjde k vypudeniu tepla, ktoré je možné využiť na vykurovanie okolia. V opačnom procese ťahové odľahčenie drôtu vedie k prúdeniu tekutiny do CHEX (studený výmenník tepla), čo spôsobuje, že NiTi drôt absorbuje teplo z okolia. Preto je možné znížiť (ochladzovať) teplotu okolia.
Elastokalorické zariadenia sú často porovnávané s magnetokalorickými zariadeniami ako nové metódy efektívneho ohrevu/chladenia. Elastokalorické zariadenie vyrobené s NiTi drôtmi má výhodu oproti magnetokalorickým zariadeniam vyrobeným s gadolíniom vďaka svojmu špecifickému chladiacemu výkonu (pri 2 Hz), ktorý je 70x lepší (7 kWh/kg oproti 0,1 kWh/kg). Elektrokalorické zariadenia vyrobené s NiTi drôtmi však majú aj obmedzenia, ako je ich krátka únavová životnosť a závislosť od veľkých ťahových síl (spotreba energie).
