NITINOL รูปร่างโลหะผสมหน่วยความจำ

นิกเกิลไทเทเนียมหรือที่รู้จักกันในชื่อนิทินอลเป็นโลหะผสมของนิกเกิลและไทเทเนียม โดยมีองค์ประกอบทั้งสองอยู่ในเปอร์เซ็นต์อะตอมที่เท่ากันโดยประมาณ โลหะผสมที่แตกต่างกันนั้นตั้งชื่อตามเปอร์เซ็นต์น้ำหนักของนิกเกิล เช่น นิทินอล 55 และนิทินอล 60

โลหะผสมนิทินอลแสดงคุณสมบัติที่เกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิดสองประการ: เอฟเฟกต์การจำรูปร่างและความยืดหยุ่นยิ่งยวด (เรียกอีกอย่างว่าความยืดหยุ่นเสมือน) หน่วยความจำรูปร่างคือความสามารถของนิทินอลในการรับการเปลี่ยนรูปที่อุณหภูมิหนึ่ง คงอยู่ในรูปร่างที่ผิดรูปเมื่อแรงภายนอกถูกกำจัดออก จากนั้นจึงคืนรูปร่างเดิมที่ยังไม่ได้เปลี่ยนรูปร่างเมื่อได้รับความร้อนสูงกว่า "อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลง"

สารประกอบไนติ

คุณสมบัติที่ผิดปกติของนิทินอลได้มาจากการแปลงเฟสโซลิดสเตตแบบพลิกกลับได้ที่เรียกว่าการแปลงมาร์เทนซิติกระหว่างเฟสคริสตัลมาร์เทนไซต์สองเฟสที่แตกต่างกัน ซึ่งต้องใช้ 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) ความเครียดทางกล

ที่อุณหภูมิสูง นิทินอลจะมีโครงสร้างลูกบาศก์อย่างง่ายที่แทรกซึมเรียกว่าออสเทนไนต์ (หรือที่เรียกว่าเฟสพาเรนต์) ที่อุณหภูมิต่ำ นิทินอลจะเปลี่ยนเป็นโครงสร้างผลึกโมโนคลินิกที่ซับซ้อนมากขึ้นตามธรรมชาติซึ่งเรียกว่ามาร์เทนไซต์ (ระยะลูกสาว)[8] อุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงมีสี่อุณหภูมิที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงออสเทนไนต์เป็นมาร์เทนไซต์และมาร์เทนไซต์เป็นออสเทนไนต์ เริ่มต้นจากออสเทนไนต์เต็มรูปแบบ มาร์เทนไซต์เริ่มก่อตัวเมื่อโลหะผสมถูกทำให้เย็นลงจนถึงอุณหภูมิเริ่มต้นของมาร์เทนไซต์หรือ Ms และอุณหภูมิที่การเปลี่ยนแปลงเสร็จสมบูรณ์เรียกว่าอุณหภูมิผิวสำเร็จของมาร์เทนไซต์ หรือ Mf เมื่ออัลลอยด์อยู่ในสถานะมาร์เทนไซต์จนหมดและถูกให้ความร้อน ออสเทนไนต์จะเริ่มก่อตัวที่อุณหภูมิเริ่มต้นของออสเทนไนต์ As และสิ้นสุดที่อุณหภูมิสุดท้ายของออสเทนไนต์ Af[9]

ฮิสเทรีซีสเชิงความร้อนของการเปลี่ยนเฟสของนิทินอล

วงจรการทำความเย็น/ความร้อนจะแสดงฮิสเทรีซีสของความร้อน ความกว้างของฮิสเทรีซีสขึ้นอยู่กับองค์ประกอบนิทินอลและการประมวลผลที่แม่นยำ ค่าปกติของมันคือช่วงอุณหภูมิที่ทอดประมาณ 20–50 องศา (36–90 องศา F) แต่สามารถลดหรือขยายได้โดยการผสม[10] และการประมวลผล[11]

คุณสมบัติที่สำคัญต่อนิทินอลเป็นสองประเด็นสำคัญของการเปลี่ยนแปลงระยะนี้ ประการแรกคือการเปลี่ยนแปลงสามารถ "ย้อนกลับได้" ซึ่งหมายความว่าการให้ความร้อนสูงกว่าอุณหภูมิการเปลี่ยนแปลงจะทำให้โครงสร้างผลึกกลับไปสู่เฟสออสเทนไนต์ที่เรียบง่ายกว่า ประเด็นสำคัญประการที่สองคือการเปลี่ยนแปลงในทั้งสองทิศทางเกิดขึ้นทันที

โครงสร้างผลึกของมาร์เทนไซต์ (รู้จักกันในชื่อโมโนคลินิกหรือโครงสร้าง B19') มีความสามารถเฉพาะตัวในการรับการเปลี่ยนรูปอย่างจำกัดในบางวิธีโดยไม่ทำลายพันธะอะตอม การเสียรูปประเภทนี้เรียกว่า การจับคู่ ซึ่งประกอบด้วยการจัดเรียงระนาบอะตอมใหม่โดยไม่ทำให้เกิดการลื่นไถลหรือการเสียรูปถาวร ในลักษณะนี้สามารถรับความเครียดได้ประมาณ 6-8% เมื่อมาร์เทนไซต์ถูกเปลี่ยนกลับเป็นออสเทนไนต์โดยการให้ความร้อน โครงสร้างออสเทนนิติกดั้งเดิมจะถูกฟื้นฟู โดยไม่คำนึงว่าเฟสมาร์เทนไซต์จะผิดรูปหรือไม่ ดังนั้นรูปร่างของเฟสออสเทนไนต์ที่อุณหภูมิสูงจึง "ถูกจดจำ" แม้ว่าโลหะผสมจะเสียรูปอย่างรุนแรงที่อุณหภูมิต่ำกว่าก็ตาม [12]

มุมมอง 2 มิติของโครงสร้างผลึกของนิทินอลระหว่างวงจรการทำความเย็น/การให้ความร้อน

แรงกดดันจำนวนมากสามารถเกิดขึ้นได้โดยการป้องกันการกลับตัวของมาร์เทนไซต์ที่เสียรูปไปเป็นออสเทนไนต์ จาก 240 MPa (35,{3} psi) ไปเป็นมากกว่า 690 MPa (100,000 psi) ในหลายกรณี ). สาเหตุหนึ่งที่นิทินอลทำงานหนักมากเพื่อกลับคืนสู่รูปร่างเดิมก็คือ มันไม่ใช่แค่โลหะผสมธรรมดา แต่เป็นสิ่งที่เรียกว่าสารประกอบระหว่างโลหะ ในโลหะผสมธรรมดา องค์ประกอบต่างๆ จะถูกวางตำแหน่งแบบสุ่มในโครงตาข่ายคริสตัล ในสารประกอบอินเตอร์เมทัลลิกที่ได้รับคำสั่ง อะตอม (ในกรณีนี้คือ นิกเกิลและไทเทเนียม) มีตำแหน่งที่เฉพาะเจาะจงมากในโครงตาข่าย ความจริงที่ว่านิทินอลเป็นอินเทอร์เมทัลลิกมีส่วนรับผิดชอบต่อความซับซ้อนในการผลิตอุปกรณ์ที่ทำจากโลหะผสมเป็นส่วนใหญ่

การใช้งาน

คลิปหนีบกระดาษนิทินอลงอและคืนสภาพได้หลังจากนำไปแช่ในน้ำร้อน

การใช้งานทั่วไปสำหรับนิทินอลมีสี่ประเภท:

กู้คืนฟรี

นิทินอลถูกเปลี่ยนรูปที่อุณหภูมิต่ำ ยังคงมีรูปร่างผิดปกติ จากนั้นถูกให้ความร้อนเพื่อคืนรูปร่างเดิมผ่านเอฟเฟกต์หน่วยความจำรูปร่าง

การกู้คืนที่จำกัด

คล้ายกับการฟื้นตัวอย่างอิสระ ยกเว้นว่าการฟื้นตัวนั้นได้รับการป้องกันอย่างเข้มงวดและทำให้เกิดความเครียด

การผลิตงาน

โลหะผสมได้รับอนุญาตให้ฟื้นตัวได้ แต่การทำเช่นนั้นจะต้องต้านแรง (จึงทำงาน)

ความยืดหยุ่นยิ่งยวด

นิทินอลทำหน้าที่เป็นซุปเปอร์สปริงผ่านเอฟเฟกต์ยืดหยุ่นพิเศษ

วัสดุที่มีความยืดหยุ่นสูงจะเกิดการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากความเครียด และโดยทั่วไปจะทราบถึงคุณสมบัติ "หน่วยความจำรูปร่าง" เนื่องจากความยืดหยุ่นยิ่งยวด สายไฟ NiTi จึงแสดงเอฟเฟกต์ "อีลาสโตแคลอริก" ซึ่งเป็นการทำความร้อน/ความเย็นที่กระตุ้นด้วยความเครียด ปัจจุบันสายไฟ NiTi อยู่ระหว่างการวิจัยว่าเป็นวัสดุที่มีแนวโน้มมากที่สุดสำหรับเทคโนโลยีนี้ กระบวนการเริ่มต้นด้วยการรับแรงดึงบนเส้นลวด ซึ่งทำให้ของไหล (ภายในเส้นลวด) ไหลไปยัง HHEX (เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนร้อน) พร้อมกันนั้นความร้อนก็จะถูกขับออกไปเพื่อให้ความร้อนแก่บริเวณโดยรอบได้ ในกระบวนการย้อนกลับ การดึงลวดแรงดึงออกจะทำให้ของไหลไหลไปที่ CHEX (ตัวแลกเปลี่ยนความร้อนเย็น) ทำให้ลวด NiTi ดูดซับความร้อนจากบริเวณโดยรอบ ดังนั้นอุณหภูมิโดยรอบจึงสามารถลดลงได้ (เย็นลง)

อุปกรณ์อีลาสโตแคลริกมักถูกเปรียบเทียบกับอุปกรณ์แมกนีโทแคลริกว่าเป็นวิธีการใหม่ในการทำความร้อน/ทำความเย็นที่มีประสิทธิภาพ อุปกรณ์อิลาสโตแคลริกที่ทำด้วยลวด NiTi มีข้อได้เปรียบเหนืออุปกรณ์แมกนีโทแคลริกที่ทำด้วยแกโดลิเนียม เนื่องจากมีกำลังการทำความเย็นจำเพาะ (ที่ 2 เฮิร์ตซ์) ซึ่งดีกว่า 70 เท่า (7 กิโลวัตต์ชั่วโมง/กก. เทียบกับ 0.1 กิโลวัตต์ชั่วโมง/กก.) อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ไฟฟ้าแคลอรี่ที่ทำด้วยลวด NiTi ก็มีข้อจำกัดเช่นกัน เช่น อายุความล้าที่สั้นและการพึ่งพาแรงดึงขนาดใหญ่ (สิ้นเปลืองพลังงาน)