니티놀 형상기억합금
니티놀이라고도 알려진 니켈 티타늄은 니켈과 티타늄의 금속 합금으로 두 원소가 대략 동일한 원자 비율로 존재합니다. 니켈의 중량 비율에 따라 다양한 합금의 이름이 지정됩니다. 예를 들어, 니티놀 55 및 니티놀 60.
니티놀 합금은 형상 기억 효과와 초탄성(의사탄성이라고도 함)이라는 두 가지 밀접하게 연관되어 있는 고유한 특성을 나타냅니다. 형상 기억은 니티놀이 특정 온도에서 변형을 겪고, 외력이 제거되면 변형된 형태를 유지하며, "변태 온도" 이상으로 가열하면 원래의 변형되지 않은 형태를 회복하는 능력입니다.
NiTi 화합물.
니티놀의 특이한 특성은 두 개의 서로 다른 마르텐사이트 결정상 사이의 마르텐사이트 변환으로 알려진 가역적 고체 상태 변환에서 파생됩니다. 이 변환에는 69-138 MPa(10,000-20,000 psi)가 필요합니다. 기계적 스트레스.
고온에서 니티놀은 오스테나이트(모상이라고도 함)라고 하는 상호 침투형 단순 입방 구조를 가정합니다. 저온에서 니티놀은 마르텐사이트(도터 상)로 알려진 더욱 복잡한 단사정계 결정 구조로 자발적으로 변환됩니다.[8] 오스테나이트에서 마르텐사이트로, 마르텐사이트에서 오스테나이트로 변태하는 데에는 4가지 전이 온도가 있습니다. 완전 오스테나이트에서 시작하여 합금이 소위 마르텐사이트 시작 온도(Ms)로 냉각됨에 따라 마르텐사이트가 형성되기 시작하고 변태가 완료되는 온도를 마르텐사이트 마무리 온도(Mf)라고 합니다. 합금이 완전 마르텐사이트이고 가열되면 오스테나이트 시작 온도 As에서 오스테나이트가 형성되기 시작하고 오스테나이트 마무리 온도 Af에서 끝납니다.
니티놀 상변태의 열적 히스테리시스
냉각/가열 주기는 열 이력 현상을 나타냅니다. 히스테리시스 폭은 정확한 니티놀 구성 및 처리에 따라 달라집니다. 일반적인 값은 약 20~50도(36~90도 F)에 이르는 온도 범위이지만 합금[10] 및 가공을 통해 감소하거나 증폭될 수 있습니다.
니티놀 특성에 중요한 것은 이러한 상 변환의 두 가지 주요 측면입니다. 첫 번째는 변태가 "가역적"이라는 것입니다. 즉, 변태 온도 이상으로 가열하면 결정 구조가 더 단순한 오스테나이트 상으로 되돌아갑니다. 두 번째 핵심 포인트는 양방향 변환이 즉각적이라는 것입니다.
마르텐사이트의 결정 구조(단사정계 또는 B19' 구조로 알려져 있음)는 원자 결합을 끊지 않고 어떤 방식으로든 제한된 변형을 겪는 독특한 능력을 가지고 있습니다. 이러한 유형의 변형을 쌍정이라고 하며, 이는 미끄러짐이나 영구 변형을 일으키지 않고 원자 평면을 재배열하는 것으로 구성됩니다. 이런 방식으로 약 6~8%의 변형을 겪을 수 있습니다. 마르텐사이트가 가열에 의해 오스테나이트로 복귀되면 마르텐사이트 상 변형 여부에 관계없이 원래의 오스테나이트 조직이 복원됩니다. 따라서 합금이 더 낮은 온도에서 심하게 변형되더라도 고온 오스테나이트 상의 형상은 "기억"됩니다.
냉각/가열 주기 동안 니티놀 결정 구조의 2D 보기
변형된 마르텐사이트가 오스테나이트로 전환되는 것을 방지하면 240 MPa(35,000 psi)에서 많은 경우 690 MPa(100,000 psi) 이상까지 많은 압력이 생성될 수 있습니다. ). 니티놀이 원래 모양으로 돌아가기 위해 그토록 열심히 일하는 이유 중 하나는 이것이 단순한 금속 합금이 아니라 금속간 화합물이라고 알려진 것이기 때문입니다. 일반 합금에서는 구성 요소가 결정 격자에 무작위로 위치합니다. 규칙적인 금속간 화합물에서 원자(이 경우 니켈과 티타늄)는 격자에서 매우 특정한 위치를 가지고 있습니다. 니티놀이 금속간 화합물이라는 사실은 합금으로 만든 장치 제조의 복잡성에 크게 영향을 미칩니다.
응용
뜨거운 물에 넣었다가 구부러졌다가 회복된 니티놀 클립
니티놀에는 일반적으로 사용되는 네 가지 응용 유형이 있습니다.
무료 복구
니티놀은 저온에서 변형되어 변형된 상태를 유지한 후 가열하면 형상기억효과를 통해 원래의 형태로 회복됩니다.
제한된 복구
회복이 엄격하게 방지되어 응력이 발생한다는 점을 제외하면 자유 회복과 유사합니다.
작품 제작
합금은 회복될 수 있지만 그렇게 하려면 힘에 대항하여 작용해야 합니다(따라서 일을 수행함).
초탄성
니티놀은 초탄성 효과를 통해 슈퍼 스프링 역할을 합니다.
초탄성 물질은 응력에 의해 변형되며 일반적으로 "형상 기억" 특성으로 알려져 있습니다. 초탄성으로 인해 NiTi 와이어는 응력에 의해 가열/냉각되는 "탄성 칼로리" 효과를 나타냅니다. NiTi 와이어는 현재 이 기술의 가장 유망한 재료로 연구되고 있습니다. 이 공정은 와이어에 인장 하중을 가하는 것으로 시작되며, 이로 인해 유체(와이어 내)가 HHEX(열교환기)로 흐르게 됩니다. 동시에 열이 방출되어 주변을 가열하는 데 사용될 수 있습니다. 반대 과정에서는 와이어의 인장 언로딩으로 인해 유체가 CHEX(저온 열교환기)로 흘러 NiTi 와이어가 주변의 열을 흡수하게 됩니다. 따라서 주변의 온도를 낮추(냉각)할 수 있습니다.
탄성열량 장치는 효율적인 가열/냉각의 새로운 방법으로 자기열량 장치와 종종 비교됩니다. NiTi 와이어로 만든 자기열량 장치는 특정 냉각 전력(2Hz에서)으로 인해 가돌리늄으로 만든 자기열량 장치에 비해 70배 더 좋습니다(7kWh/kg 대 0.1kWh/kg). 그러나 NiTi 와이어로 만든 전기열량 장치에는 짧은 피로 수명과 큰 인장력에 대한 의존성(에너지 소모) 등의 한계도 있습니다.
