НИТИНОЛ Сплав с памятью формы

Никель-титан, также известный как нитинол, представляет собой металлический сплав никеля и титана, в котором эти два элемента присутствуют примерно в равных атомных процентах. Различные сплавы названы в зависимости от массового процента никеля; например, нитинол 55 и нитинол 60.

Сплавы нитинола обладают двумя тесно связанными и уникальными свойствами: эффектом памяти формы и сверхэластичностью (также называемой псевдоэластичностью). Память формы — это способность нитинола подвергаться деформации при одной температуре, оставаться в своей деформированной форме при удалении внешней силы, а затем восстанавливать свою первоначальную, недеформированную форму при нагревании выше «температуры трансформации».

NiTi соединение.

Необычные свойства нитинола обусловлены обратимым фазовым превращением в твердом состоянии, известным как мартенситное превращение между двумя различными мартенситными кристаллическими фазами, для которого требуется давление 69–138 МПа (10,000–20,000 фунтов на квадратный дюйм). механическое напряжение.

При высоких температурах нитинол принимает взаимопроникающую простую кубическую структуру, называемую аустенитом (также известную как исходная фаза). При низких температурах нитинол самопроизвольно превращается в более сложную моноклинную кристаллическую структуру, известную как мартенсит (дочерняя фаза).[8] Существует четыре температуры перехода, связанные с превращениями аустенит-мартенсит и мартенсит-аустенит. Начиная с полного аустенита, мартенсит начинает формироваться по мере охлаждения сплава до так называемой температуры начала мартенсита или Ms, а температура, при которой превращение завершается, называется температурой окончания мартенсита, или Mf. Когда сплав полностью мартенситный и подвергается нагреву, аустенит начинает образовываться при начальной температуре аустенита As и заканчивается при конечной температуре аустенита Af.[9]

Термический гистерезис фазового превращения нитинола

Цикл охлаждения/нагрева показывает тепловой гистерезис. Ширина гистерезиса зависит от точного состава нитинола и его обработки. Его типичное значение составляет около 20–50 градусов (36–90 градусов по Фаренгейту), но его можно уменьшить или увеличить путем легирования[10] и обработки[11].

Решающее значение для свойств нитинола имеют два ключевых аспекта этого фазового превращения. Во-первых, превращение является «обратимым», а это означает, что нагрев выше температуры превращения вернет кристаллическую структуру к более простой аустенитной фазе. Второй ключевой момент заключается в том, что трансформация в обоих направлениях происходит мгновенно.

Кристаллическая структура мартенсита (известная как моноклинная структура, или структура B19') обладает уникальной способностью подвергаться ограниченной деформации определенными способами без разрыва атомных связей. Этот тип деформации известен как двойникование, которое заключается в перестановке атомных плоскостей без скольжения или остаточной деформации. Таким образом он способен выдерживать нагрузку около 6–8%. При превращении мартенсита в аустенит путем нагрева исходная аустенитная структура восстанавливается независимо от того, была ли деформирована мартенситная фаза. Таким образом, форма высокотемпературной аустенитной фазы «запоминается», даже если сплав сильно деформируется при более низкой температуре.[12]

2D-вид кристаллической структуры нитинола во время цикла охлаждение/нагрев

Большое давление можно создать, предотвращая превращение деформированного мартенсита в аустенит — от 240 МПа (35 000 фунтов на квадратный дюйм) до, во многих случаях, более 690 МПа (100 000 фунтов на квадратный дюйм). ). Одна из причин, по которой нитинол так старается вернуться к своей первоначальной форме, заключается в том, что это не просто обычный металлический сплав, а так называемое интерметаллическое соединение. В обычном сплаве компоненты расположены в кристаллической решетке случайным образом; в упорядоченном интерметаллическом соединении атомы (в данном случае никеля и титана) занимают очень специфическое расположение в решетке.[13] Тот факт, что нитинол является интерметаллидом, во многом определяет сложность изготовления устройств из этого сплава.

Приложения

Нитиноловая скрепка погнулась и восстановилась после помещения в горячую воду.

Существует четыре наиболее часто используемых типа применения нитинола:

Бесплатное восстановление

Нитинол деформируется при низкой температуре, остается деформированным, а затем нагревается для восстановления своей первоначальной формы за счет эффекта памяти формы.

Ограниченное восстановление

Аналогично свободному восстановлению, за исключением того, что восстановление жестко предотвращается и, таким образом, создается стресс.

Производство работ

Сплаву разрешено восстанавливаться, но для этого он должен действовать против силы (выполняя таким образом работу).

Сверхэластичность

Нитинол действует как суперпружина благодаря эффекту сверхэластичности.

Сверхэластичные материалы подвергаются трансформации, вызванной напряжением, и широко известны своим свойством «памяти формы». Благодаря своей сверхэластичности NiTi проволоки обладают «упругокалорическим» эффектом, который представляет собой нагрев/охлаждение, вызванное напряжением. NiTi проволоки в настоящее время исследуются как наиболее перспективный материал для этой технологии. Процесс начинается с растягивающей нагрузки на проволоку, в результате чего жидкость (внутри проволоки) течет к HHEX (горячему теплообменнику). Одновременно будет выделяться тепло, которое можно использовать для обогрева окружающей среды. В обратном процессе растягивающая разгрузка проволоки приводит к тому, что жидкость течет в CHEX (холодный теплообменник), в результате чего NiTi проволока поглощает тепло из окружающей среды. Следовательно, температуру окружающей среды можно снизить (охладить).

Эластокалорические устройства часто сравнивают с магнитокалорическими устройствами как новые методы эффективного нагрева/охлаждения. Эластокалорическое устройство, изготовленное из NiTi проволок, имеет преимущество перед магнитокалорическими устройствами, изготовленными из гадолиния, за счет удельной охлаждающей способности (при 2 Гц), которая в 70 раз лучше (7 кВтч/кг против 0,1 кВтч/кг). Однако электрокалорические устройства, изготовленные из NiTi проволок, также имеют ограничения, такие как короткий усталостный срок службы и зависимость от больших растягивающих сил (потребление энергии).