NITINOL сплав с памет за формата

Никеловият титан, известен също като нитинол, е метална сплав от никел и титан, където двата елемента присъстват в приблизително еднакви атомни проценти. Различните сплави се наименуват според тегловния процент на никел; например нитинол 55 и нитинол 60.

Нитиноловите сплави проявяват две тясно свързани и уникални свойства: ефект на паметта на формата и свръхеластичност (наричана още псевдоеластичност). Паметта на формата е способността на нитинола да претърпи деформация при една температура, да остане в своята деформирана форма, когато външната сила бъде премахната, и след това да възстанови първоначалната си, недеформирана форма при нагряване над неговата "температура на трансформация".

NiTi съединение.

Необичайните свойства на нитинола са получени от обратима фазова трансформация в твърдо състояние, известна като мартензитна трансформация между две различни мартензитни кристални фази, която изисква 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) на механично напрежение.

При високи температури нитинолът придобива взаимопроникваща проста кубична структура, наречена аустенит (известен също като основна фаза). При ниски температури нитинолът спонтанно се трансформира в по-сложна моноклинна кристална структура, известна като мартензит (дъщерна фаза).[8] Има четири температури на преход, свързани с трансформациите от аустенит към мартензит и мартензит към аустенит. Започвайки от пълен аустенит, мартензитът започва да се образува, когато сплавта се охлади до така наречената начална температура на мартензита или Ms, а температурата, при която трансформацията завършва, се нарича крайна температура на мартензита или Mf. Когато сплавта е напълно мартензитна и е подложена на нагряване, аустенитът започва да се образува при началната температура на аустенит, As, и завършва при крайната температура на аустенит, Af.[9]

Термичен хистерезис на фазовата трансформация на нитинол

Цикълът на охлаждане/нагряване показва термичен хистерезис. Ширината на хистерезис зависи от точния състав и обработка на нитинол. Типичната му стойност е температурен диапазон, обхващащ около 20-50 градуса (36-90 градуса F), но може да бъде намалена или увеличена чрез легиране[10] и обработка.[11]

Решаващи за свойствата на нитинол са два ключови аспекта на тази фазова трансформация. Първото е, че трансформацията е "обратима", което означава, че нагряването над температурата на трансформация ще върне кристалната структура към по-простата аустенитна фаза. Вторият ключов момент е, че трансформацията и в двете посоки е мигновена.

Кристалната структура на мартензита (известна като моноклинна или B19' структура) има уникалната способност да претърпява ограничена деформация по някои начини, без да разкъсва атомните връзки. Този тип деформация е известна като побратимяване, което се състои от пренареждане на атомните равнини без причиняване на приплъзване или постоянна деформация. По този начин той може да претърпи около 6–8% напрежение. Когато мартензитът се превърне в аустенит чрез нагряване, първоначалната аустенитна структура се възстановява, независимо дали мартензитната фаза е била деформирана. Така формата на високотемпературната аустенитна фаза се "запомня", въпреки че сплавта е силно деформирана при по-ниска температура.[12]

2D изглед на кристалната структура на нитинол по време на цикъла на охлаждане/нагряване

Може да се създаде голямо налягане чрез предотвратяване на обръщането на деформиран мартензит в аустенит - от 240 MPa (35,000 psi) до, в много случаи, повече от 690 MPa (100,000 psi ). Една от причините, поради които нитинолът работи толкова усилено, за да се върне в първоначалната си форма, е, че той не е просто обикновена метална сплав, а това, което е известно като интерметално съединение. В обикновена сплав съставките са произволно разположени в кристалната решетка; в подредено интерметално съединение, атомите (в този случай никел и титан) имат много специфични места в решетката.[13] Фактът, че нитинолът е интерметал, до голяма степен е отговорен за сложността на производството на устройства, направени от сплавта.

Приложения

Кламер от нитинол се огъна и възстанови, след като беше поставен в гореща вода

Има четири често използвани типа приложения за нитинол:

Безплатно възстановяване

Нитинолът се деформира при ниска температура, остава деформиран и след това се нагрява, за да възстанови оригиналната си форма чрез ефекта на паметта на формата.

Ограничено възстановяване

Подобно на безплатното възстановяване, с изключение на това, че възстановяването е строго предотвратено и по този начин се генерира стрес.

Производство на работа

Сплавта се оставя да се възстанови, но за да го направи, тя трябва да действа срещу сила (като по този начин извършва работа).

Супереластичност

Нитинолът действа като супер пружина чрез супереластичния ефект.

Свръхеластични материали претърпяват индуцирана от напрежение трансформация и са общопризнати със свойството си "памет на формата". Благодарение на своята свръхеластичност, NiTi проводниците проявяват "еластокалоричен" ефект, който е предизвикано от напрежението нагряване/охлаждане. NiTi проводниците в момента се изследват като най-обещаващият материал за технологията. Процесът започва с натоварване на опън върху жицата, което кара течността (вътре в жицата) да тече към HHEX (горещ топлообменник). Едновременно с това ще бъде отделена топлина, която може да се използва за отопление на околната среда. В обратния процес разтоварването на опън на жицата води до протичане на течност към CHEX (студен топлообменник), което кара NiTi телта да абсорбира топлина от околната среда. Следователно температурата на околната среда може да бъде намалена (охладена).

Еластокалоричните устройства често се сравняват с магнитокалоричните устройства като нови методи за ефективно отопление/охлаждане. Еластокалоричното устройство, направено с NiTi проводници, има предимство пред магнитокалоричните устройства, направени с гадолиний, поради своята специфична охлаждаща мощност (при 2 Hz), която е 70X по-добра (7 kWh/kg срещу 0,1 kWh/kg). Въпреки това, електрокалоричните устройства, направени с NiTi проводници, също имат ограничения, като краткия живот на умора и зависимостта от големи сили на опън (консумация на енергия).