Aloi Memori Bentuk NITINOL

Nikel titanium, juga dikenali sebagai nitinol, adalah aloi logam nikel dan titanium, di mana kedua-dua unsur hadir dalam peratusan atom yang hampir sama. Aloi yang berbeza dinamakan mengikut peratusan berat nikel; cth, nitinol 55 dan nitinol 60.

Aloi nitinol mempamerkan dua sifat yang berkait rapat dan unik: kesan ingatan bentuk dan keanjalan super (juga dipanggil pseudoelastik). Memori bentuk ialah keupayaan nitinol untuk mengalami ubah bentuk pada satu suhu, kekal dalam bentuk yang cacat apabila daya luar dialihkan, dan kemudian memulihkan bentuk asalnya yang tidak berubah apabila dipanaskan di atas "suhu perubahan"nya.

sebatian NiTi.

Sifat luar biasa Nitinol diperoleh daripada transformasi fasa keadaan pepejal boleh balik yang dikenali sebagai transformasi martensit antara dua fasa kristal martensit yang berbeza, yang memerlukan 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) daripada tekanan mekanikal.

Pada suhu tinggi, nitinol mengandaikan struktur padu ringkas yang saling menembusi dirujuk sebagai austenit (juga dikenali sebagai fasa induk). Pada suhu rendah, nitinol secara spontan berubah menjadi struktur kristal monoklinik yang lebih rumit yang dikenali sebagai martensit (fasa anak perempuan).[8] Terdapat empat suhu peralihan yang berkaitan dengan transformasi austenit-ke-martensit dan martensit-ke-austenit. Bermula dari austenit penuh, martensit mula terbentuk apabila aloi disejukkan kepada apa yang dipanggil suhu permulaan martensit atau Ms, dan suhu di mana transformasi selesai dipanggil suhu penamat martensit, atau Mf. Apabila aloi martensit sepenuhnya dan tertakluk kepada pemanasan, austenit mula terbentuk pada suhu mula austenit, As, dan berakhir pada suhu kemasan austenit, Af.[9]

Histeresis terma perubahan fasa nitinol

Kitaran penyejukan/pemanasan menunjukkan histeresis haba. Lebar histerisis bergantung pada komposisi dan pemprosesan nitinol yang tepat. Nilai tipikalnya ialah julat suhu yang menjangkau kira-kira 20–50 darjah (36–90 darjah F) tetapi ia boleh dikurangkan atau dikuatkan dengan mengaloi[10] dan pemprosesan.[11]

Penting kepada sifat nitinol adalah dua aspek utama transformasi fasa ini. Pertama ialah penjelmaan adalah "boleh balik", bermakna pemanasan di atas suhu penjelmaan akan mengembalikan struktur kristal kepada fasa austenit yang lebih mudah. Perkara utama kedua ialah perubahan dalam kedua-dua arah adalah serta-merta.

Struktur kristal Martensit (dikenali sebagai monoklinik, atau struktur B19') mempunyai keupayaan unik untuk mengalami ubah bentuk terhad dalam beberapa cara tanpa memecahkan ikatan atom. Jenis ubah bentuk ini dikenali sebagai berkembar, yang terdiri daripada penyusunan semula satah atom tanpa menyebabkan gelincir, atau ubah bentuk kekal. Ia mampu menjalani kira-kira 6-8% ketegangan dengan cara ini. Apabila martensit ditukar kepada austenit melalui pemanasan, struktur austenit asal dipulihkan, tidak kira sama ada fasa martensit telah berubah bentuk. Oleh itu, bentuk fasa austenit suhu tinggi adalah "diingati", walaupun aloi itu rosak teruk pada suhu yang lebih rendah.[12]

Pandangan 2D struktur kristal nitinol semasa kitaran penyejukan/pemanasan

Banyak tekanan boleh dihasilkan dengan menghalang pembalikan martensit cacat kepada austenit-daripada 240 MPa (35,000 psi) kepada, dalam banyak kes, lebih daripada 690 MPa (100,000 psi ). Salah satu sebab nitinol bekerja keras untuk kembali ke bentuk asalnya ialah ia bukan sekadar aloi logam biasa, tetapi apa yang dikenali sebagai sebatian antara logam. Dalam aloi biasa, juzuk diletakkan secara rawak dalam kekisi kristal; dalam sebatian antara logam tersusun, atom (dalam kes ini, nikel dan titanium) mempunyai lokasi yang sangat spesifik dalam kekisi.[13] Fakta bahawa nitinol adalah intermetallic sebahagian besarnya bertanggungjawab terhadap kerumitan peranti fabrikasi yang diperbuat daripada aloi.

Aplikasi

Klip kertas nitinol dibengkokkan dan pulih selepas dimasukkan ke dalam air panas

Terdapat empat jenis aplikasi yang biasa digunakan untuk nitinol:

Pemulihan percuma

Nitinol berubah bentuk pada suhu rendah, kekal cacat, dan kemudian dipanaskan untuk memulihkan bentuk asalnya melalui kesan ingatan bentuk.

Kekangan pemulihan

Sama seperti pemulihan percuma, kecuali pemulihan dihalang secara tegar dan dengan itu tekanan dijana.

Pengeluaran kerja

Aloi dibenarkan pulih, tetapi untuk berbuat demikian ia mesti bertindak melawan daya (dengan itu melakukan kerja).

Keanjalan super

Nitinol bertindak sebagai super spring melalui kesan superelastik.

Bahan superelastik mengalami perubahan akibat tekanan dan lazimnya diiktiraf untuk sifat "memori bentuk" mereka. Disebabkan keanjalan supernya, wayar NiTi mempamerkan kesan "elastocaloric", iaitu pemanasan/penyejukan yang dicetuskan oleh tekanan. Wayar NiTi kini sedang dalam penyelidikan sebagai bahan yang paling menjanjikan untuk teknologi. Proses ini bermula dengan beban tegangan pada wayar, yang menyebabkan bendalir (dalam wayar) mengalir ke HHEX (penukar haba panas). Pada masa yang sama, haba akan dikeluarkan, yang boleh digunakan untuk memanaskan persekitaran. Dalam proses sebaliknya, pemunggahan tegangan wayar membawa kepada cecair mengalir ke CHEX (penukar haba sejuk), menyebabkan wayar NiTi menyerap haba dari persekitaran. Oleh itu, suhu persekitaran boleh diturunkan (disejukkan).

Peranti elastocaloric sering dibandingkan dengan peranti magnetocaloric sebagai kaedah baru untuk pemanasan/penyejukan yang cekap. Peranti elastocaloric yang dibuat dengan wayar NiTi mempunyai kelebihan berbanding peranti magnetocaloric yang dibuat dengan gadolinium kerana kuasa penyejukan khususnya (pada 2 Hz), iaitu 70X lebih baik (7 kWj/kg berbanding 0.1 kWj/kg). Walau bagaimanapun, peranti elektrokalorik yang dibuat dengan wayar NiTi juga mempunyai had, seperti hayat keletihan yang singkat dan pergantungan pada daya tegangan yang besar (memakan tenaga).