آلیاژ حافظه دار شکل NITINOL

نیکل تیتانیوم، همچنین به عنوان نیتینول شناخته می شود، یک آلیاژ فلزی از نیکل و تیتانیوم است که در آن دو عنصر تقریباً در درصد اتمی برابر وجود دارند. آلیاژهای مختلف با توجه به درصد وزنی نیکل نامگذاری می شوند. به عنوان مثال، نیتینول 55 و نیتینول 60.

آلیاژهای نیتینول دو ویژگی نزدیک و منحصر به فرد دارند: اثر حافظه شکل و فوق الاستیسیته (که شبه الاستیسیته نیز نامیده می شود). حافظه شکل توانایی نیتینول برای تغییر شکل در یک دما، باقی ماندن در شکل تغییر شکل خود با حذف نیروی خارجی، و سپس بازیابی شکل اولیه و تغییر شکل نیافته خود با گرم شدن بالاتر از "دمای تبدیل" است.

ترکیب NiTi

خواص غیرمعمول نیتینول از یک تبدیل فاز حالت جامد برگشت پذیر که به عنوان تبدیل مارتنزیتی بین دو فاز مختلف کریستالی مارتنزیت شناخته می شود، مشتق شده است که به 69-138 مگاپاسکال (10،{4}}-20،000 psi) نیاز دارد. استرس مکانیکی

در دماهای بالا، نیتینول ساختار مکعبی ساده متقابلی به خود می گیرد که آستنیت نامیده می شود (همچنین به عنوان فاز مادر شناخته می شود). در دماهای پایین، نیتینول به طور خود به خود به یک ساختار بلوری مونوکلینیک پیچیده تر به نام مارتنزیت (فاز دختر) تبدیل می شود.[8] چهار دمای انتقال مرتبط با تبدیل آستنیت به مارتنزیت و مارتنزیت به آستنیت وجود دارد. با شروع از آستنیت کامل، مارتنزیت با سرد شدن آلیاژ تا دمای شروع مارتنزیت یا Ms شروع به تشکیل می‌کند و دمایی که در آن تبدیل کامل می‌شود، دمای پایان مارتنزیت یا Mf نامیده می‌شود. هنگامی که آلیاژ کاملاً مارتنزیت است و تحت حرارت قرار می گیرد، آستنیت در دمای شروع آستنیت شروع به تشکیل می کند، As، و در دمای پایان آستنیت، Af به پایان می رسد.[9]

هیسترزیس حرارتی تبدیل فاز نیتینول

چرخه سرمایش/گرمایش پسماند حرارتی را نشان می دهد. عرض هیسترزیس به ترکیب و پردازش دقیق نیتینول بستگی دارد. مقدار معمولی آن محدوده دمایی است که حدود 20 تا 50 درجه (36 تا 90 درجه فارنهایت) را در بر می گیرد، اما می توان آن را با آلیاژسازی [10] و پردازش کاهش داد یا تقویت کرد.[11]

دو جنبه کلیدی این تبدیل فاز برای خواص نیتینول بسیار مهم است. اول اینکه تبدیل "برگشت پذیر" است، به این معنی که گرمایش بالاتر از دمای تبدیل ساختار بلوری را به فاز آستنیت ساده تر باز می گرداند. نکته کلیدی دوم این است که تحول در هر دو جهت آنی است.

ساختار کریستالی مارتنزیت (معروف به ساختار مونوکلینیک یا B19') توانایی منحصر به فردی را دارد که از جهاتی بدون شکستن پیوندهای اتمی دچار تغییر شکل محدود شود. این نوع تغییر شکل به دوقلوزایی معروف است که شامل بازآرایی صفحات اتمی بدون ایجاد لغزش یا تغییر شکل دائمی است. به این ترتیب می تواند حدود 6 تا 8 درصد کرنش را تحمل کند. هنگامی که مارتنزیت با حرارت دادن به آستنیت باز می گردد، ساختار آستنیتی اولیه بدون توجه به تغییر شکل فاز مارتنزیت بازسازی می شود. بنابراین، شکل فاز آستنیت با دمای بالا «به خاطر می‌آید»، حتی اگر آلیاژ در دمای پایین‌تر به شدت تغییر شکل داده شود.[12]

نمای دوبعدی ساختار کریستالی نیتینول در طول چرخه سرمایش/گرمایش

فشار زیادی را می توان با جلوگیری از بازگشت مارتنزیت تغییر شکل یافته به آستنیت از 240 مگاپاسکال (35،{3}} psi) به، در بسیاری از موارد، بیش از 690 مگاپاسکال (100،000 psi) ایجاد کرد. ). یکی از دلایلی که نیتینول برای بازگشت به شکل اولیه خود بسیار سخت کار می کند این است که فقط یک آلیاژ فلزی معمولی نیست، بلکه چیزی است که به عنوان یک ترکیب بین فلزی شناخته می شود. در یک آلیاژ معمولی، اجزای تشکیل دهنده به طور تصادفی در شبکه کریستالی قرار می گیرند. در یک ترکیب بین فلزی مرتب، اتم ها (در این مورد، نیکل و تیتانیوم) مکان های بسیار خاصی در شبکه دارند.[13] این واقعیت که نیتینول یک بین فلزی است تا حد زیادی مسئول پیچیدگی ساخت دستگاه های ساخته شده از آلیاژ است.

برنامه های کاربردی

یک گیره کاغذ نیتینول پس از قرار دادن در آب داغ خم شد و بازیابی شد

چهار نوع کاربرد متداول برای نیتینول وجود دارد:

بازیابی رایگان

نیتینول در دمای پایین تغییر شکل می‌دهد، تغییر شکل می‌دهد و سپس برای بازیابی شکل اصلی خود از طریق اثر حافظه شکل حرارت داده می‌شود.

بازیابی محدود

مشابه ریکاوری رایگان، با این تفاوت که از بازیابی به شدت جلوگیری می شود و در نتیجه استرس ایجاد می شود.

تولید کار

آلیاژ مجاز به بازیابی است، اما برای انجام این کار باید در برابر یک نیرو عمل کند (در نتیجه کار را انجام می دهد).

فوق الاستیسیته

نیتینول از طریق اثر فوق الاستیک به عنوان یک فنر فوق العاده عمل می کند.

مواد فوق الاستیک تحت یک تبدیل ناشی از تنش قرار می گیرند و معمولاً به دلیل خاصیت "شکل-حافظه" خود شناخته می شوند. سیم‌های NiTi به دلیل فوق الاستیسیته بودن، اثر «الاستوکالری» از خود نشان می‌دهند که گرمایش/سرمایش ناشی از استرس است. سیم‌های NiTi به عنوان امیدوارکننده‌ترین ماده برای این فناوری در حال حاضر تحت تحقیق هستند. این فرآیند با بارگذاری کششی روی سیم آغاز می شود که باعث می شود سیال (داخل سیم) به HHEX (مبدل حرارتی داغ) جریان یابد. به طور همزمان گرما دفع می شود که می توان از آن برای گرم کردن محیط اطراف استفاده کرد. در فرآیند معکوس، تخلیه کششی سیم منجر به جریان سیال به CHEX (مبدل گرمای سرد) می شود و باعث می شود سیم NiTi گرما را از محیط اطراف جذب کند. بنابراین می توان دمای محیط را کاهش داد (خنک کرد).

دستگاه های الاستوکالری اغلب با دستگاه های مغناطیسی کالری به عنوان روش های جدید گرمایش/سرمایش کارآمد مقایسه می شوند. دستگاه الاستوکالری ساخته شده با سیم های NiTi نسبت به دستگاه های مغناطیسی کالری ساخته شده با گادولینیوم به دلیل قدرت خنک کنندگی خاص آن (در 2 هرتز) مزیت دارد که 7 {3}}X بهتر است (7 کیلووات ساعت در کیلوگرم در مقابل 0.1 کیلووات ساعت بر کیلوگرم). با این حال، دستگاه های الکتروکالری ساخته شده با سیم های NiTi نیز دارای محدودیت هایی مانند عمر خستگی کوتاه و وابستگی به نیروهای کششی زیاد (مصرف انرژی) هستند.