NITINOL formhukommelseslegering
Nikkeltitan, også kendt som nitinol, er en metallegering af nikkel og titanium, hvor de to grundstoffer er til stede i nogenlunde lige store atomprocenter. Forskellige legeringer er navngivet efter vægtprocenten af nikkel; fx nitinol 55 og nitinol 60.
Nitinol-legeringer udviser to nært beslægtede og unikke egenskaber: formhukommelseseffekten og superelasticitet (også kaldet pseudoelasticitet). Formhukommelse er nitinols evne til at undergå deformation ved én temperatur, forblive i sin deformerede form, når den ydre kraft fjernes, og derefter genvinde sin oprindelige, udeformerede form ved opvarmning over sin "transformationstemperatur".
NiTi-forbindelse.
Nitinols usædvanlige egenskaber er afledt af en reversibel faststoffasetransformation kendt som en martensitisk transformation mellem to forskellige martensitkrystalfaser, som kræver 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) af mekanisk belastning.
Ved høje temperaturer antager nitinol en gennemtrængende simpel kubisk struktur kaldet austenit (også kendt som moderfasen). Ved lave temperaturer omdannes nitinol spontant til en mere kompliceret monoklin krystalstruktur kendt som martensit (datterfase).[8] Der er fire overgangstemperaturer forbundet med austenit-til-martensit- og martensit-til-austenit-transformationerne. Med udgangspunkt i fuld austenit begynder der at dannes martensit, når legeringen afkøles til den såkaldte martensit-starttemperatur eller Ms, og den temperatur, hvor omdannelsen er fuldført, kaldes martensit-afslutningstemperaturen eller Mf. Når legeringen er fuldt martensit og udsættes for opvarmning, begynder austenit at dannes ved austenit starttemperatur, As, og slutter ved austenit finish temperatur, Af.[9]
Termisk hysterese af nitinols fasetransformation
Afkølings-/opvarmningscyklussen viser termisk hysterese. Hysteresebredden afhænger af den præcise nitinolsammensætning og bearbejdning. Dens typiske værdi er et temperaturområde på omkring 20-50 grader (36-90 grader F), men det kan reduceres eller forstærkes ved legering[10] og forarbejdning.[11]
Afgørende for nitinolegenskaber er to nøgleaspekter af denne fasetransformation. For det første er transformationen "reversibel", hvilket betyder, at opvarmning over transformationstemperaturen vil vende krystalstrukturen tilbage til den mere simple austenitfase. Det andet nøglepunkt er, at transformationen i begge retninger er øjeblikkelig.
Martensit's krystalstruktur (kendt som en monoklinisk eller B19'-struktur) har den unikke evne til at gennemgå begrænset deformation på nogle måder uden at bryde atombindinger. Denne type deformation er kendt som twinning, som består af omarrangering af atomplaner uden at forårsage glidning eller permanent deformation. Det er i stand til at gennemgå omkring 6-8% belastning på denne måde. Når martensit omdannes til austenit ved opvarmning, genoprettes den oprindelige austenitiske struktur, uanset om martensitfasen var deformeret. Således "huskes" formen af højtemperatur austenitfasen, selvom legeringen er alvorligt deformeret ved en lavere temperatur.[12]
2D-visning af nitinols krystallinske struktur under afkølings-/opvarmningscyklussen
Et stort tryk kan frembringes ved at forhindre tilbagevenden af deformeret martensit til austenit - fra 240 MPa (35,000 psi) til i mange tilfælde mere end 690 MPa (100,000 psi) ). En af grundene til, at nitinol arbejder så hårdt for at vende tilbage til sin oprindelige form, er, at det ikke bare er en almindelig metallegering, men det, der er kendt som en intermetallisk forbindelse. I en almindelig legering er bestanddelene tilfældigt placeret i krystalgitteret; i en ordnet intermetallisk forbindelse har atomerne (i dette tilfælde nikkel og titanium) meget specifikke placeringer i gitteret.[13] Den kendsgerning, at nitinol er et intermetallisk materiale, er i høj grad ansvarlig for kompleksiteten af at fremstille enheder fremstillet af legeringen.
Ansøgninger
En nitinol papirclips bøjet og genoprettet efter at være blevet lagt i varmt vand
Der er fire almindeligt anvendte typer applikationer til nitinol:
Gratis genopretning
Nitinol deformeres ved lav temperatur, forbliver deformeret og opvarmes derefter for at genvinde sin oprindelige form gennem formhukommelseseffekten.
Begrænset bedring
Svarende til fri restitution, bortset fra at restitution er stift forhindret, og dermed genereres stress.
Arbejdsproduktion
Legeringen får lov til at komme sig, men for at gøre det skal den virke mod en kraft (og dermed udføre arbejde).
Superelasticitet
Nitinol virker som en superfjeder gennem den superelastiske effekt.
Superelastiske materialer gennemgår en stress-induceret transformation og er almindeligt anerkendt for deres "form-hukommelse" egenskab. På grund af sin superelasticitet udviser NiTi-tråde en "elastokalorisk" effekt, som er stress-udløst opvarmning/afkøling. NiTi ledninger er i øjeblikket under forskning som det mest lovende materiale til teknologien. Processen begynder med trækbelastning på tråden, hvilket får væske (inde i tråden) til at strømme til HHEX (varm varmeveksler). Samtidig vil der blive udstødt varme, som kan bruges til at opvarme omgivelserne. I den omvendte proces fører trækaflastning af tråden til, at væske strømmer til CHEX (kold varmeveksler), hvilket får NiTi-tråden til at absorbere varme fra omgivelserne. Derfor kan temperaturen i omgivelserne sænkes (afkøles).
Elastokaloriske enheder sammenlignes ofte med magnetokaloriske enheder som nye metoder til effektiv opvarmning/køling. Elastocaloric-enheder lavet med NiTi-ledninger har en fordel i forhold til magnetokaloriske enheder lavet med gadolinium på grund af dens specifikke køleeffekt (ved 2 Hz), som er 70X bedre (7 kWh/kg vs. 0,1 kWh/kg). Imidlertid har elektrokaloriske enheder lavet med NiTi-ledninger også begrænsninger, såsom dets korte udmattelseslevetid og afhængighed af store trækkræfter (energiforbrugende).
