NITINOL Slitina s tvarovou pamětí

Nikl titan, také známý jako nitinol, je kovová slitina niklu a titanu, kde jsou tyto dva prvky přítomny ve zhruba stejných atomových procentech. Různé slitiny jsou pojmenovány podle hmotnostního procenta niklu; např. nitinol 55 a nitinol 60.

Nitinolové slitiny vykazují dvě úzce související a jedinečné vlastnosti: efekt tvarové paměti a superelasticitu (také nazývanou pseudoelasticita). Tvarová paměť je schopnost nitinolu podstoupit deformaci při jedné teplotě, zůstat ve svém deformovaném tvaru, když je odstraněna vnější síla, a poté obnovit svůj původní, nedeformovaný tvar po zahřátí nad svou "transformační teplotu".

sloučenina NiTi.

Neobvyklé vlastnosti nitinolu jsou odvozeny z reverzibilní transformace pevné fáze známé jako martenzitická transformace mezi dvěma různými krystalovými fázemi martenzitu, která vyžaduje 69–138 MPa (10,{4}}–20,000 psi) mechanickému namáhání.

Při vysokých teplotách získává nitinol prostupující jednoduchou krychlovou strukturu označovanou jako austenit (také známý jako mateřská fáze). Při nízkých teplotách se nitinol spontánně přeměňuje na komplikovanější monoklinickou krystalovou strukturu známou jako martenzit (dceřiná fáze).[8] Existují čtyři přechodové teploty spojené s přeměnami austenitu na martenzit a martenzitu na austenit. Počínaje úplným austenitem se martenzit začne tvořit, když se slitina ochladí na takzvanou počáteční teplotu martenzitu nebo Ms, a teplota, při které je transformace dokončena, se nazývá konečná teplota martenzitu nebo Mf. Když je slitina plně martenzitická a je vystavena ohřevu, austenit se začne tvořit při počáteční teplotě austenitu As a končí při konečné teplotě austenitu Af.[9]

Tepelná hystereze fázové transformace nitinolu

Cyklus chlazení/topení vykazuje tepelnou hysterezi. Šířka hystereze závisí na přesném složení a zpracování nitinolu. Jeho typická hodnota je teplotní rozsah asi 20–50 stupňů (36–90 stupňů F), ale může být snížen nebo zesílen legováním[10] a zpracováním.[11]

Rozhodující vlastnosti nitinolu jsou dva klíčové aspekty této fázové transformace. První je, že transformace je "reverzibilní", což znamená, že zahřívání nad transformační teplotu vrátí krystalovou strukturu do jednodušší austenitové fáze. Druhým klíčovým bodem je, že transformace v obou směrech je okamžitá.

Krystalová struktura martenzitu (známá jako monoklinická nebo struktura B19') má jedinečnou schopnost určitým způsobem podstoupit omezenou deformaci bez porušení atomových vazeb. Tento typ deformace je známý jako twinning, který spočívá v přeskupení atomových rovin bez způsobení skluzu nebo trvalé deformace. Tímto způsobem je schopen podstoupit asi 6–8% zátěž. Když se martenzit zahřátím přemění na austenit, obnoví se původní austenitická struktura bez ohledu na to, zda byla martenzitická fáze deformována. Tak je tvar vysokoteplotní austenitové fáze „zapamatován“, i když je slitina silně deformována při nižší teplotě.[12]

2D pohled na krystalickou strukturu nitinolu během cyklu chlazení/ohřívání

Zabráněním reverze deformovaného martenzitu na austenit lze vytvořit velké množství tlaku – z 240 MPa (35,000 psi) na v mnoha případech více než 690 MPa (100,{6}} psi) ). Jedním z důvodů, proč se nitinol tak usilovně vrací do svého původního tvaru, je to, že nejde jen o obyčejnou kovovou slitinu, ale o to, co je známé jako intermetalická sloučenina. V běžné slitině jsou složky náhodně umístěny v krystalové mřížce; v uspořádané intermetalické sloučenině mají atomy (v tomto případě nikl a titan) velmi specifická umístění v mřížce.[13] Skutečnost, že nitinol je intermetalická látka, je do značné míry zodpovědná za složitost výroby zařízení vyrobených ze slitiny.

Aplikace

Nitinolová kancelářská sponka se po vložení do horké vody ohnula a obnovila

Existují čtyři běžně používané typy aplikací pro nitinol:

Bezplatné zotavení

Nitinol se deformuje při nízké teplotě, zůstává deformovaný a poté se zahřívá, aby se obnovil původní tvar pomocí efektu tvarové paměti.

Omezené zotavení

Podobné volnému zotavení, s tím rozdílem, že zotavení je přísně bráněno a tím vzniká stres.

Výroba práce

Slitina se nechá zotavit, ale aby tak učinila, musí působit proti síle (tedy vykonávat práci).

Superelasticita

Nitinol působí jako superpružina prostřednictvím superelastického efektu.

Superelastické materiály procházejí transformací vyvolanou napětím a jsou běžně uznávány pro svou vlastnost „tvarové paměti“. Díky své superelasticitě vykazují NiTi dráty „elastokalorický“ efekt, což je zahřívání/chlazení vyvolané stresem. NiTi dráty jsou v současné době ve výzkumu jako nejslibnější materiál pro tuto technologii. Proces začíná tahovým zatížením drátu, což způsobí, že tekutina (uvnitř drátu) proudí do HHEX (horký výměník tepla). Zároveň bude odváděno teplo, které lze využít k vytápění okolí. V opačném procesu vede odlehčování drátu tahem k proudění tekutiny do CHEX (studený výměník tepla), což způsobuje, že drát NiTi absorbuje teplo z okolí. Proto lze teplotu okolí snížit (ochlazovat).

Elastokalorická zařízení jsou často srovnávána s magnetokalorickými zařízeními jako nové metody účinného ohřevu/chlazení. Elastokalorické zařízení vyrobené s NiTi dráty má výhodu oproti magnetokalorickým zařízením vyrobeným s gadoliniem díky svému specifickému chladicímu výkonu (při 2 Hz), který je 70x lepší (7 kWh/kg oproti 0,1 kWh/kg). Elektrokalorická zařízení vyrobená s NiTi dráty však mají také omezení, jako je jejich krátká únavová životnost a závislost na velkých tahových silách (spotřeba energie).