Aliatge amb memòria de forma NITINOL
El níquel titani, també conegut com nitinol, és un aliatge metàl·lic de níquel i titani, on els dos elements estan presents en percentatges atòmics aproximadament iguals. Els diferents aliatges s'anomenen segons el percentatge de pes del níquel; per exemple, nitinol 55 i nitinol 60.
Els aliatges de nitinol presenten dues propietats úniques i estretament relacionades: l'efecte de memòria de forma i la superelasticitat (també anomenada pseudoelasticitat). La memòria de forma és la capacitat del nitinol de patir una deformació a una temperatura, mantenir-se en la seva forma deformada quan s'elimina la força externa i, a continuació, recuperar la seva forma original i no deformada en escalfar-se per sobre de la seva "temperatura de transformació".
compost de NiTi.
Les propietats inusuals del nitinol es deriven d'una transformació en fase sòlida reversible coneguda com a transformació martensítica entre dues fases cristal·lines de martensita diferents, que requereix 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) de tensió mecànica.
A altes temperatures, el nitinol assumeix una estructura cúbica simple interpenetrant anomenada austenita (també coneguda com a fase parent). A baixes temperatures, el nitinol es transforma espontàniament en una estructura cristal·lina monoclínica més complicada coneguda com a martensita (fase filla).[8] Hi ha quatre temperatures de transició associades a les transformacions d'austenita a martensita i de martensita a austenita. A partir de l'austenita completa, la martensita comença a formar-se a mesura que l'aliatge es refreda fins a l'anomenada temperatura inicial de martensita o Ms, i la temperatura a la qual es completa la transformació s'anomena temperatura d'acabat de martensita, o Mf. Quan l'aliatge és totalment martensita i se sotmet a escalfament, l'austenita comença a formar-se a la temperatura inicial de l'austenita, As, i acaba a la temperatura d'acabat de l'austenita, Af.[9]
Histèresi tèrmica de la transformació de fase del nitinol
El cicle de refrigeració/escalfament mostra histèresi tèrmica. L'amplada de la histèresi depèn de la composició i el processament precisos del nitinol. El seu valor típic és un rang de temperatura que abasta uns 20–50 graus (36–90 graus F), però es pot reduir o amplificar mitjançant l'aliatge[10] i el processament.[11]
Dos aspectes clau d'aquesta transformació de fase són crucials per a les propietats del nitinol. El primer és que la transformació és "reversible", el que significa que l'escalfament per sobre de la temperatura de transformació revertirà l'estructura cristal·lina a la fase d'austenita més simple. El segon punt clau és que la transformació en ambdues direccions és instantània.
L'estructura cristal·lina de la martensita (coneguda com a estructura monoclínica o B19') té la capacitat única de patir una deformació limitada d'alguna manera sense trencar els enllaços atòmics. Aquest tipus de deformació es coneix com agermanament, que consisteix en la reordenació dels plans atòmics sense provocar lliscament, ni deformació permanent. D'aquesta manera, és capaç de patir entre un 6 i un 8% de tensió. Quan la martensita es torna a austenita per escalfament, es restaura l'estructura austenítica original, independentment de si la fase de martensita es va deformar. Així, la forma de la fase d'austenita d'alta temperatura és "recordada", tot i que l'aliatge es deforma severament a una temperatura més baixa.[12]
Vista 2D de l'estructura cristal·lina del nitinol durant el cicle de refrigeració/escalfament
Es pot produir una gran pressió evitant la reversió de la martensita deformada a austenita, des de 240 MPa (35,000 psi) a, en molts casos, més de 690 MPa (100,000 psi). ). Una de les raons per les quals el nitinol treballa tant per tornar a la seva forma original és que no és només un aliatge metàl·lic normal, sinó el que es coneix com a compost intermetàl·lic. En un aliatge normal, els components es col·loquen aleatòriament a la xarxa cristal·lina; en un compost intermetàl·lic ordenat, els àtoms (en aquest cas, níquel i titani) tenen localitzacions molt específiques a la xarxa.[13] El fet que el nitinol sigui un intermetàl·lic és en gran part responsable de la complexitat de la fabricació de dispositius fets amb l'aliatge.
Aplicacions
Un clip de nitinol es va doblegar i es va recuperar després de posar-lo en aigua calenta
Hi ha quatre tipus d'aplicacions habituals per al nitinol:
Recuperació gratuïta
El nitinol es deforma a baixa temperatura, es manté deformat i després s'escalfa per recuperar la seva forma original mitjançant l'efecte de memòria de forma.
Recuperació limitada
Similar a la recuperació lliure, excepte que la recuperació s'impedeix rígidament i, per tant, es genera estrès.
Producció de treball
L'aliatge es deixa recuperar, però per fer-ho ha d'actuar contra una força (per tant, fent feina).
Superelasticitat
El nitinol actua com una súper molla a través de l'efecte superelàstic.
Els materials superelàstics experimenten una transformació induïda per l'estrès i són comunament reconeguts per la seva propietat de "memòria de forma". A causa de la seva superelasticitat, els cables de NiTi presenten un efecte "elastocalòric", que és l'escalfament / refredament provocat per l'estrès. Els cables de NiTi estan actualment en investigació com el material més prometedor per a la tecnologia. El procés comença amb una càrrega de tracció al cable, que fa que el fluid (dins del cable) flueixi cap a HHEX (intercanviador de calor calent). Paral·lelament, s'expulsarà calor que es pot utilitzar per escalfar l'entorn. En el procés invers, la descàrrega de tracció del cable condueix al fluid que flueix cap a CHEX (intercanviador de calor fred), fent que el cable NiTi absorbeixi calor de l'entorn. Per tant, la temperatura de l'entorn es pot reduir (refredar).
Els dispositius elastocalòrics sovint es comparen amb els dispositius magnetocalòrics com a nous mètodes d'escalfament/refrigerament eficient. Els dispositius elastocalòrics fets amb cables de NiTi tenen un avantatge respecte als dispositius magnetocalòrics fets amb gadolini a causa de la seva potència de refrigeració específica (a 2 Hz), que és 70X millor (7 kWh/kg enfront de 0,1 kWh/kg). Tanmateix, els dispositius electrocalòrics fets amb cables de NiTi també tenen limitacions, com ara la seva curta vida a fatiga i la dependència de grans forces de tracció (consumidor d'energia).
