NITINOL-vormgeheugenlegering

Nikkel-titanium, ook bekend als nitinol, is een metaallegering van nikkel en titanium, waarbij de twee elementen in ongeveer gelijke atoompercentages aanwezig zijn. Verschillende legeringen worden genoemd naar het gewichtspercentage nikkel; bijvoorbeeld nitinol 55 en nitinol 60.

Nitinollegeringen vertonen twee nauw verwante en unieke eigenschappen: het vormgeheugeneffect en superelasticiteit (ook wel pseudo-elasticiteit genoemd). Vormgeheugen is het vermogen van nitinol om bij één temperatuur vervorming te ondergaan, in zijn vervormde vorm te blijven wanneer de externe kracht wordt verwijderd, en vervolgens zijn oorspronkelijke, onvervormde vorm terug te krijgen bij verhitting boven zijn ‘transformatietemperatuur’.

NiTi-verbinding.

De ongebruikelijke eigenschappen van Nitinol zijn afgeleid van een omkeerbare fasetransformatie in vaste toestand die bekend staat als een martensitische transformatie tussen twee verschillende martensietkristalfasen, waarvoor 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) van mechanische spanning.

Bij hoge temperaturen neemt nitinol een interpenetrerende, eenvoudige kubieke structuur aan die austeniet wordt genoemd (ook bekend als de moederfase). Bij lage temperaturen verandert nitinol spontaan in een meer gecompliceerde monokliene kristalstructuur die bekend staat als martensiet (dochterfase). Er zijn vier overgangstemperaturen geassocieerd met de transformaties van austeniet naar martensiet en martensiet naar austeniet. Uitgaande van volledig austeniet begint zich martensiet te vormen wanneer de legering wordt afgekoeld tot de zogenaamde martensietstarttemperatuur of Ms, en de temperatuur waarbij de transformatie voltooid is wordt de martensietafwerkingstemperatuur of Mf genoemd. Wanneer de legering volledig uit martensiet bestaat en wordt blootgesteld aan verwarming, begint austeniet zich te vormen bij de austeniet-starttemperatuur, As, en eindigt bij de austeniet-eindtemperatuur, Af.

Thermische hysterese van de fasetransformatie van nitinol

De koel-/verwarmingscyclus vertoont thermische hysteresis. De hysteresisbreedte hangt af van de precieze samenstelling en verwerking van nitinol. De typische waarde is een temperatuurbereik van ongeveer 20-50 graden (36-90 graden F), maar kan worden verminderd of versterkt door legering en verwerking.

Cruciaal voor de eigenschappen van nitinol zijn twee sleutelaspecten van deze fasetransformatie. Ten eerste is de transformatie "omkeerbaar", wat betekent dat verwarming boven de transformatietemperatuur de kristalstructuur zal doen terugkeren naar de eenvoudigere austenietfase. Het tweede belangrijke punt is dat de transformatie in beide richtingen onmiddellijk plaatsvindt.

De kristalstructuur van Martensiet (bekend als een monokliene of B19'-structuur) heeft het unieke vermogen om in sommige opzichten beperkte vervorming te ondergaan zonder de atomaire bindingen te verbreken. Dit type vervorming staat bekend als twinning, wat bestaat uit de herschikking van atomaire vlakken zonder slip of permanente vervorming te veroorzaken. Op deze manier kan het ongeveer 6 à 8% spanning ondergaan. Wanneer martensiet door verhitting wordt omgezet in austeniet, wordt de oorspronkelijke austenitische structuur hersteld, ongeacht of de martensietfase is vervormd. Zo wordt de vorm van de austenietfase bij hoge temperatuur "onthouden", ook al wordt de legering bij een lagere temperatuur ernstig vervormd.

2D-weergave van de kristallijne structuur van nitinol tijdens de koel-/verwarmingscyclus

Er kan een grote druk worden geproduceerd door de terugkeer van vervormd martensiet naar austeniet te voorkomen: van 240 MPa (35,000 psi) tot, in veel gevallen, meer dan 690 MPa (100,000 psi). ). Een van de redenen dat nitinol zo hard werkt om terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm is dat het niet zomaar een metaallegering is, maar een zogenaamde intermetaalverbinding. In een gewone legering zijn de bestanddelen willekeurig in het kristalrooster gepositioneerd; in een geordende intermetaalverbinding hebben de atomen (in dit geval nikkel en titanium) zeer specifieke locaties in het rooster. Het feit dat nitinol een intermetaal is, is grotendeels verantwoordelijk voor de complexiteit van het vervaardigen van apparaten die uit de legering zijn gemaakt.

Toepassingen

Een nitinol paperclip verbogen en herstelde zich nadat hij in heet water was geplaatst

Er zijn vier veelgebruikte soorten toepassingen voor nitinol:

Gratis herstel

Nitinol wordt bij een lage temperatuur vervormd, blijft vervormd en wordt vervolgens verwarmd om door het vormgeheugeneffect zijn oorspronkelijke vorm terug te krijgen.

Beperkt herstel

Vergelijkbaar met vrij herstel, alleen wordt herstel strikt verhinderd en ontstaat er dus stress.

Werk productie

De legering mag zich herstellen, maar daarvoor moet ze tegen een kracht inwerken (en dus arbeid verrichten).

Superelasticiteit

Nitinol werkt als een superveer door de superelastische werking.

Superelastische materialen ondergaan een door spanning veroorzaakte transformatie en worden algemeen erkend vanwege hun "vormgeheugen"-eigenschap. Vanwege de superelasticiteit vertonen NiTi-draden een "elastocalorisch" effect, dat wil zeggen door spanning veroorzaakte verwarming/koeling. NiTi-draden worden momenteel onderzocht als het meest veelbelovende materiaal voor de technologie. Het proces begint met trekbelasting op de draad, waardoor vloeistof (binnen de draad) naar de HHEX (hete warmtewisselaar) stroomt. Tegelijkertijd wordt er warmte afgevoerd, die gebruikt kan worden om de omgeving te verwarmen. In het omgekeerde proces leidt het trekontlasten van de draad ertoe dat vloeistof naar CHEX (koude warmtewisselaar) stroomt, waardoor de NiTi-draad warmte uit de omgeving absorbeert. Daarom kan de temperatuur van de omgeving worden verlaagd (gekoeld).

Elastocalorische apparaten worden vaak vergeleken met magnetocalorische apparaten als nieuwe methoden voor efficiënte verwarming/koeling. Elastocalorische apparaten gemaakt met NiTi-draden hebben een voordeel ten opzichte van magnetocalorische apparaten gemaakt met gadolinium vanwege het specifieke koelvermogen (bij 2 Hz), dat 70x beter is (7 kWh/kg versus 0,1 kWh/kg). Elektrocalorische apparaten gemaakt met NiTi-draden hebben echter ook beperkingen, zoals de korte levensduur tegen vermoeidheid en de afhankelijkheid van grote trekkrachten (energieverbruik).