Hợp kim bộ nhớ hình dạng NITINOL

Niken titan, còn được gọi là nitinol, là hợp kim kim loại của niken và titan, trong đó hai nguyên tố này hiện diện với tỷ lệ phần trăm nguyên tử gần bằng nhau. Các hợp kim khác nhau được đặt tên theo tỷ lệ phần trăm trọng lượng của niken; ví dụ: nitinol 55 và nitinol 60.

Hợp kim Nitinol thể hiện hai tính chất độc đáo và có liên quan chặt chẽ với nhau: hiệu ứng ghi nhớ hình dạng và tính siêu đàn hồi (còn gọi là tính giả đàn hồi). Bộ nhớ hình dạng là khả năng nitinol trải qua biến dạng ở một nhiệt độ, giữ nguyên hình dạng biến dạng khi loại bỏ ngoại lực và sau đó phục hồi hình dạng ban đầu, không bị biến dạng khi nung nóng trên "nhiệt độ biến đổi" của nó.

Hợp chất NiTi.

Các đặc tính bất thường của Nitinol có nguồn gốc từ sự biến đổi pha ở trạng thái rắn thuận nghịch được gọi là sự biến đổi martensitic giữa hai pha tinh thể martensite khác nhau, đòi hỏi 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) của căng thẳng cơ học.

Ở nhiệt độ cao, nitinol có cấu trúc hình khối đơn giản xuyên thấu được gọi là austenite (còn được gọi là pha gốc). Ở nhiệt độ thấp, nitinol tự động biến đổi thành cấu trúc tinh thể đơn tà phức tạp hơn được gọi là martensite (pha con).[8] Có bốn nhiệt độ chuyển tiếp liên quan đến sự biến đổi austenite-to-martensite và martensite-to-austenite. Bắt đầu từ austenite hoàn toàn, martensite bắt đầu hình thành khi hợp kim được làm lạnh đến nhiệt độ được gọi là nhiệt độ ban đầu martensite hoặc Ms, và nhiệt độ tại đó quá trình biến đổi hoàn tất được gọi là nhiệt độ hoàn thiện martensite, hay Mf. Khi hợp kim hoàn toàn là martensite và chịu nhiệt, austenite bắt đầu hình thành ở nhiệt độ ban đầu austenite, As, và kết thúc ở nhiệt độ hoàn thiện austenite, Af.[9]

Độ trễ nhiệt của quá trình chuyển pha nitinol

Chu trình làm mát/sưởi ấm cho thấy hiện tượng trễ nhiệt. Độ rộng trễ phụ thuộc vào thành phần và quá trình xử lý nitinol chính xác. Giá trị điển hình của nó là phạm vi nhiệt độ kéo dài khoảng 20–50 độ (36–90 độ F) nhưng nó có thể được giảm bớt hoặc khuếch đại bằng cách tạo hợp kim [10] và xử lý.[11]

Các đặc tính quan trọng của nitinol là hai khía cạnh chính của quá trình chuyển đổi pha này. Đầu tiên là sự biến đổi là "có thể đảo ngược", nghĩa là việc gia nhiệt trên nhiệt độ biến đổi sẽ hoàn nguyên cấu trúc tinh thể về pha austenite đơn giản hơn. Điểm mấu chốt thứ hai là sự biến đổi theo cả hai hướng là tức thời.

Cấu trúc tinh thể của Martensite (được gọi là cấu trúc đơn tà, hay cấu trúc B19') có khả năng đặc biệt là chịu biến dạng hạn chế theo một số cách mà không phá vỡ liên kết nguyên tử. Loại biến dạng này được gọi là song tinh, bao gồm sự sắp xếp lại các mặt phẳng nguyên tử mà không gây trượt hoặc biến dạng vĩnh viễn. Nó có thể chịu được sức căng khoảng 6–8% theo cách này. Khi martensite được hoàn nguyên thành austenite bằng cách nung nóng, cấu trúc austenit ban đầu được phục hồi, bất kể pha martensite có bị biến dạng hay không. Do đó, hình dạng của pha austenite ở nhiệt độ cao được "ghi nhớ", mặc dù hợp kim bị biến dạng nghiêm trọng ở nhiệt độ thấp hơn.[12]

Chế độ xem 2D về cấu trúc tinh thể của nitinol trong chu trình làm mát/sưởi ấm

Có thể tạo ra rất nhiều áp lực bằng cách ngăn chặn sự đảo ngược của martensite bị biến dạng thành austenite - từ 240 MPa (35,000 psi) đến, trong nhiều trường hợp, hơn 690 MPa (100,000 psi) ). Một trong những lý do khiến nitinol khó trở lại hình dạng ban đầu là vì nó không chỉ là một hợp kim kim loại thông thường mà còn được gọi là hợp chất liên kim loại. Trong hợp kim thông thường, các thành phần được định vị ngẫu nhiên trong mạng tinh thể; trong một hợp chất liên kim loại có trật tự, các nguyên tử (trong trường hợp này là niken và titan) có những vị trí rất cụ thể trong mạng tinh thể.[13] Thực tế nitinol là một chất liên kim loại là nguyên nhân chính tạo ra sự phức tạp của việc chế tạo các thiết bị làm từ hợp kim.

Ứng dụng

Chiếc kẹp giấy nitinol bị uốn cong và hồi phục sau khi cho vào nước nóng

Có bốn loại ứng dụng thường được sử dụng cho nitinol:

Phục hồi miễn phí

Nitinol bị biến dạng ở nhiệt độ thấp, vẫn bị biến dạng và sau đó được nung nóng để khôi phục lại hình dạng ban đầu thông qua hiệu ứng ghi nhớ hình dạng.

Phục hồi hạn chế

Tương tự như phục hồi tự do, ngoại trừ việc phục hồi bị ngăn chặn một cách cứng rắn và do đó tạo ra căng thẳng.

Công việc sản xuất

Hợp kim được phép phục hồi, nhưng để làm như vậy nó phải tác dụng chống lại một lực (do đó thực hiện công).

Siêu đàn hồi

Nitinol hoạt động như một siêu lò xo nhờ tác dụng siêu đàn hồi.

Các vật liệu siêu đàn hồi trải qua quá trình biến đổi do ứng suất gây ra và thường được công nhận về đặc tính "bộ nhớ hình dạng" của chúng. Do tính siêu đàn hồi của nó, dây NiTi thể hiện hiệu ứng "đàn hồi nhiệt", tức là làm nóng/làm mát do căng thẳng gây ra. Dây NiTi hiện đang được nghiên cứu như là vật liệu hứa hẹn nhất cho công nghệ. Quá trình bắt đầu bằng tải kéo trên dây, làm cho chất lỏng (bên trong dây) chảy tới HHEX (bộ trao đổi nhiệt nóng). Đồng thời, nhiệt sẽ thoát ra ngoài, có thể dùng để sưởi ấm môi trường xung quanh. Trong quá trình ngược lại, việc dỡ tải kéo của dây dẫn đến chất lỏng chảy đến CHEX (bộ trao đổi nhiệt lạnh), khiến dây NiTi hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh. Do đó, nhiệt độ xung quanh có thể giảm xuống (làm mát).

Các thiết bị nhiệt lượng đàn hồi thường được so sánh với các thiết bị nhiệt lượng từ tính như những phương pháp mới để làm nóng/làm mát hiệu quả. Thiết bị nhiệt lượng đàn hồi được chế tạo bằng dây NiTi có lợi thế hơn các thiết bị từ nhiệt được chế tạo bằng gadolinium do công suất làm mát riêng của nó (ở tần số 2 Hz), tốt hơn 70X (7 kWh/kg so với 0,1 kWh/kg). Tuy nhiên, các thiết bị điện nhiệt được chế tạo bằng dây NiTi cũng có những hạn chế như tuổi thọ mỏi ngắn và phụ thuộc vào lực kéo lớn (tiêu tốn năng lượng).