نيتينول شكل سبائك الذاكرة

النيكل والتيتانيوم، المعروف أيضًا باسم الننتول، عبارة عن سبيكة معدنية من النيكل والتيتانيوم، حيث يوجد العنصران بنسب ذرية متساوية تقريبًا. تتم تسمية السبائك المختلفة وفقًا لنسبة وزن النيكل؛ على سبيل المثال، الننتول 55 والنيتينول 60.

تُظهر سبائك الننتول خاصيتين فريدتين ومترابطتين بشكل وثيق: تأثير ذاكرة الشكل والمرونة الفائقة (وتسمى أيضًا المرونة الزائفة). ذاكرة الشكل هي قدرة الننتول على الخضوع للتشوه عند درجة حرارة واحدة، والبقاء في شكله المشوه عند إزالة القوة الخارجية، ثم استعادة شكله الأصلي غير المشوه عند التسخين فوق "درجة حرارة التحول".

مركب النيتي.

خصائص الننتول غير العادية مستمدة من تحول طور الحالة الصلبة القابل للعكس المعروف باسم التحول المارتنسيتي بين مرحلتين مختلفتين من بلورات المارتنسيت، الأمر الذي يتطلب 69-138 ميجاباسكال (10،000–20،000 رطل لكل بوصة مربعة) من الإجهاد الميكانيكي.

عند درجات الحرارة المرتفعة، يفترض الننتول بنية مكعبة بسيطة متداخلة يشار إليها باسم الأوستينيت (المعروف أيضًا باسم المرحلة الأصلية). عند درجات الحرارة المنخفضة، يتحول الننتول تلقائيًا إلى بنية بلورية أحادية الميل أكثر تعقيدًا تُعرف باسم مارتنسيت (مرحلة الابنة).[8] هناك أربع درجات حرارة انتقالية مرتبطة بتحولات الأوستينيت إلى المارتنسيت والمارتنسيت إلى الأوستينيت. بدءًا من الأوستينيت الكامل، يبدأ المارتنسيت في التشكل عندما يتم تبريد السبيكة إلى ما يسمى بدرجة حرارة بداية المارتنسيت أو Ms، وتسمى درجة الحرارة التي يكتمل عندها التحول بدرجة حرارة نهاية المارتنسيت، أو Mf. عندما تكون السبيكة مارتنسيت بالكامل وتتعرض للتسخين، يبدأ الأوستينيت بالتشكل عند درجة حرارة بداية الأوستينيت، As، وينتهي عند درجة حرارة النهاية الأوستينيت، Af.

التباطؤ الحراري لتحول مرحلة الننتول

تظهر دورة التبريد/التدفئة التباطؤ الحراري. يعتمد عرض التباطؤ على التركيب الدقيق للنتول ومعالجته. قيمته النموذجية هي نطاق درجة حرارة يمتد حوالي 20-50 درجة (36-90 درجة فهرنهايت) ولكن يمكن تقليله أو تضخيمه عن طريق صناعة السبائك [10] والمعالجة.

من الأمور الحاسمة لخصائص الننتول جانبان رئيسيان في تحول هذه المرحلة. الأول هو أن التحول "قابل للعكس"، مما يعني أن التسخين فوق درجة حرارة التحول سوف يعيد البنية البلورية إلى مرحلة الأوستينيت الأبسط. النقطة الأساسية الثانية هي أن التحول في كلا الاتجاهين يتم بشكل فوري.

يتمتع التركيب البلوري للمارتنسيت (المعروف باسم الهيكل أحادي الميل أو B19) بقدرة فريدة على الخضوع لتشوه محدود في بعض النواحي دون كسر الروابط الذرية. يُعرف هذا النوع من التشوه بالتوأمة، وهو عبارة عن إعادة ترتيب المستويات الذرية دون التسبب في انزلاق، أو تشوه دائم. إنها قادرة على الخضوع لحوالي 6-8٪ من الإجهاد بهذه الطريقة. عندما يتم إرجاع المارتنسيت إلى الأوستينيت عن طريق التسخين، يتم استعادة البنية الأوستنيتية الأصلية، بغض النظر عما إذا كانت مرحلة المارتنسيت مشوهة أم لا. وهكذا يتم "تذكر" شكل مرحلة الأوستينيت ذات درجة الحرارة العالية، على الرغم من تشوه السبيكة بشدة عند درجة حرارة منخفضة.

عرض ثنائي الأبعاد للبنية البلورية للنيتينول أثناء دورة التبريد/التدفئة

يمكن إنتاج قدر كبير من الضغط عن طريق منع عودة المارتنسيت المشوه إلى الأوستينيت - من 240 ميجا باسكال (35،000 رطل لكل بوصة مربعة) إلى، في كثير من الحالات، أكثر من 690 ميجا باسكال (100،000 رطل لكل بوصة مربعة) ). أحد الأسباب التي تجعل الننتول يعمل بجد للعودة إلى شكله الأصلي هو أنه ليس مجرد سبيكة معدنية عادية، ولكن ما يعرف بمركب بين المعادن. في السبائك العادية، يتم وضع المكونات بشكل عشوائي في الشبكة البلورية؛ في المركب بين الفلزات المرتب، يكون للذرات (في هذه الحالة، النيكل والتيتانيوم) مواقع محددة جدًا في الشبكة. حقيقة أن الننتول عبارة عن مادة بين المعادن هي المسؤولة إلى حد كبير عن تعقيد تصنيع الأجهزة المصنوعة من السبائك.

التطبيقات

تم ثني مشبك ورق الننتول واستعادته بعد وضعه في الماء الساخن

هناك أربعة أنواع شائعة الاستخدام من تطبيقات الننتول:

استرداد مجاني

يتشوه الننتول عند درجة حرارة منخفضة، ويظل مشوهًا، ثم يتم تسخينه لاستعادة شكله الأصلي من خلال تأثير ذاكرة الشكل.

الانتعاش المقيد

يشبه التعافي المجاني، إلا أنه يتم منع التعافي بشكل صارم وبالتالي يتم توليد التوتر.

إنتاج العمل

يُسمح للسبيكة بالتعافي، لكن للقيام بذلك يجب أن تعمل ضد قوة (وبالتالي تبذل شغلًا).

المرونة الفائقة

يعمل الننتول كنابض فائق من خلال التأثير فائق المرونة.

تخضع المواد فائقة المرونة إلى تحول ناجم عن الإجهاد وتُعرف عمومًا بخاصية "ذاكرة الشكل" الخاصة بها. نظرًا لمرونتها الفائقة، تظهر أسلاك NiTi تأثيرًا "مرونًا حراريًا"، وهو التسخين/التبريد الناتج عن الإجهاد. تخضع أسلاك NiTi حاليًا للبحث باعتبارها المادة الواعدة لهذه التكنولوجيا. تبدأ العملية بتحميل الشد على السلك، مما يتسبب في تدفق السائل (داخل السلك) إلى HHEX (المبادل الحراري الساخن). في نفس الوقت، سيتم طرد الحرارة، والتي يمكن استخدامها لتدفئة المناطق المحيطة. في العملية العكسية، يؤدي تفريغ الشد للسلك إلى تدفق السائل إلى CHEX (مبادل حراري بارد)، مما يتسبب في امتصاص سلك NiTi للحرارة من المناطق المحيطة. ولذلك، يمكن أن تنخفض درجة حرارة المناطق المحيطة (تبريدها).

غالبًا ما تتم مقارنة الأجهزة المرنة مع الأجهزة الحرارية المغناطيسية كطرق جديدة للتدفئة/التبريد الفعال. يتمتع الجهاز الحراري الحراري المصنوع من أسلاك NiTi بميزة على الأجهزة الحرارية المغناطيسية المصنوعة من الجادولينيوم نظرًا لقدرة التبريد المحددة (عند 2 هرتز)، وهي أفضل بمقدار 70X (7 كيلووات ساعة/كجم مقابل 0.1 كيلووات ساعة/كجم). ومع ذلك، فإن الأجهزة الكهربائية الحرارية المصنوعة من أسلاك NiTi لها أيضًا قيود، مثل عمر التعب القصير والاعتماد على قوى الشد الكبيرة (استهلاك الطاقة).