آلیاژ هوشمند نیتینول – از صفر تا صد

شبه‌الاستیسیته یا سوپرالاستیسیته به قابلیتی در یک فلز گفته می‌شود که بعد از حذف نیروی اعمال شده و تغییر شکل، به سرعت به شکل قبلی خود تبدیل شود. نیتینول به طور معمول می‌تواند بین 10-30 بار تغییر شکل دهد و به طور مجدد به شکل قبلی خود برگردد. اینکه نیتینول،‌ رفتاری به صورت سوپرالاستیسیته یا به شکل اثر حافظه داشته باشد، به دمای تغییر شکل (دمای تبدیل) وابسته است. پایین‌تر از «دمای تبدیل» (Transformation Temperature)، اثر حافظه و بالاتر از آن، سوپرالاستیسیته خواهیم داشت.

تاریخچه نیتینول

فیلم آموزش مهندسی‌جوش صنعتی در فرادرس

کلیک کنید

مکانیسم نیتینول

اثر حافظه در نیتینول

گرچه محدودیت‌هایی نیز در اثر حافظه وجود دارد. در حقیقت، این اثر تنها در دمایی بین 0-40 درجه سانتی‌گراد، بالاتر از دمای $$A_f$$ دیده می‌شود. این حد بالایی با نام $$M_d$$ شناخته می‌شود که متناظر با بیشترین دمایی است که همچنان می‌توان مارتنزیت را به کمک القای تنش، ایجاد کرد. پایین‌تر از $$M_d$$، تشکیل مارتنزیت تحت «بار» (Load)، سوپرالاستیسیته و بالاتر از $$M _ d$$، از آن‌جایی که هیچ مارتنزیتی تشکیل نمی‌شود، تغییر شکل دائمی خواهیم داشت.

نیتینول به طور معمول از ترکیب درصد اتمی 50-51 درصد نیکل تشکیل شده است. تغییرات کوچک در این ترکیب درصد، دمای گذار را به طور شدیدی تحت تاثیر قرار می‌دهد. اگر دمای $$A _ f$$، گستره‌ای بین $$-20$$ تا $$110$$ درجه سانتی‌گراد داشته باشد، تا حدی می‌توان دمای تبدیل نیتینول را کنترل کرد. بنابراین به طور معمول، اگر دمای $$A_f$$، پایین‌تر از دمای مرجع باشد، آستنیت یا سوپرالاستیسیته خواهیم داشت و اگر این دما، بالاتر باشد، اثر حافظه یا مارتنزیت خواهیم داشت. دمای مرجع نیز به طور معمول، دمای اتاق یا دمای بدن انسان (۳۷ درجه) تعریف می‌شود.

فرآیند تولید آلیاژ نیتینول

• کوره ذوب مجدد قوسی تحت خلا (VAR): این روش با ایجاد یک قوس الکتریکی بین مواد خام و صفحه مسی و در شرایط خلا انجام می‌شود.
• کوره ذوب القایی تحت خلا (VIM): این روش به کمک میدان مغناطیسی متناوب برای گرم کردن مواد خام در بوته آهنگری و در شرایط خلا اجرایی است.

با وجود این‌که هرکدام از روش‌ها، مزیت‌های مخصوص به خود را دارند، اما روش VIM، به دلیل وجود «آخال» (Inclusion) و عیوب ریخته‌گری کوچک‌تر، نسبت به روش دیگر، ترجیح داده می‌شود. البته مطالعات نشان داده‌اند که در صورت بکارگیری مواد خام با خلوص بسیار بالا، روش VAR، آخال کمتری را به همراه دارد. از روش‌های دیگری نیز مانند «انباشت بخار فیزیکی» (Physical Vapor Deposition) برای تولید در مقیاس آزمایشگاهی استفاده می‌شود.

«گرم‌کاری» (Hot Working) با این آلیاژ، نسبت به سردکاری، ساده‌تر است. ماشین‌کاری این آلیاژ نیز کار دشواری به شمار می‌آید و از آن‌جایی که هدایت حرارتی نیتینول بسیار پایین است، خارج کردن گرمای حاصل از ماشین‌کاری، دشواری‌های خود را به همراه دارد. به طور معمول، برای سادگی کار از روش‌های برش لیزری و ماشین‌کاری تخلیه الکتریکی (EDM) استفاده می‌شود.

چالش‌های موجود در بکارگیری نیتینول

فیلم آموزش ریخته‌گری و انجماد مواد فلزی در فرادرس

کلیک کنید

همچون سایر آلیاژها، در نیتینول نیز با آخال روبرو هستیم. اندازه، توزیع و نوع آخال را می‌توان تا حدی کنترل کرد. از چالش‌های دیگر این آلیاژ، جوشکاری آن است که چه بر روی فلزات دیگر و چه بر روی خود، جوشکاری آن با دشواری همراه است. به طور معمول، برای جوشکاری نیتینول به روی خود از جوشکاری لیزری بهره می‌گیرند.

«فرکانس تحرک» (Actuation Frequency) در این آلیاژ، به نحوه کار با حرارت بستگی دارد و این مورد به خصوص به هنگام سرد کردن اهمیت بیشتری پیدا می‌کند. از روش‌های متعددی برای افزایش عملکرد در این شرایط بهره می‌گیرند که از آن‌جمله می‌توان به استفاده از هوا، هیت‌سینک‌ها، جریان سیال و ... اشاره کرد.

کاربردهای نیتینول

کاربردهای نیتینول به طور معمول در چهار دسته زیر جای می‌گیرند که به کمک این چهار دسته (ویژگی)‌، دامنه گسترده‌ای از کاربردها را می‌توان برای نیتینول متصور شد.

بازیافت آزاد: با تغییر شکل نیتینول در دمای پایین و حرارت دادن مجدد آن، به شکل اولیه خواهیم رسید که به این حالت، «بازیافت آزاد» (Free Recovery) می‌گویند.

بازیافت محدود: در شرایط «بازیافت محدود» (Constrained Recovery)، از بازیافت جلوگیری و به دنبال آن، تنش ایجاد می‌شود.

تولید کار: در این دسته،‌ به نیتینول فرصت بازیافت (بازگشت به شکل قبل) می‌دهند که در اثر این بازیافت و نیروی اعمال شده، کار انجام می‌شود.

سوپرالاستیسیته: همانطور که گفته شد، تحت شرایطی، نیتینول مانند یک فنر عمل می‌کند. یکی از اصلی‌ترین کاربردهای این دسته، در فناوری‌های روز گسترش پیدا می‌کنند که از آن‌جمله می‌توان به لوله‌های NiTi اشاره کرد. این فرآیند با اعمال یک کشش به لوله ایجاد و سبب می‌شود مایع درون لوله در یک مبدل حرارتی گرم جریان پیدا کند. به طور همزمان، به کمک گرمای آزاد شده، محیط اطراف گرم خواهد شد. در فرآیند معکوس و «باربرداری» (Unloading) لوله، جریان سیال را به مبدل حرارتی سرد منتقل می‌کند که در اثر این اتفاق، لوله‌های NiTi، گرما را از محیط اطراف جذب خواهند کرد و دمای محیط، کاهش پیدا می‌کند.

کابردهای روزمره نیتینول

با توجه به مواردی که مطرح شد، امروزه از نیتینول در کاربردهای زیر بهره می‌گیرند:

• شناخته‌شده‌ترین کاربرد نیتینول در تولید استنت‌های خودانبساطی به کمک برش لیزری است. از لوله‌های نیتینول در بیوپسی،‌ آندوسکوپی و موارد اورتوپدی استفاده می‌شود.
• از فنرهای نیتینول در شیرهای حرارتی همچون سنسور دمایی بهره می‌گیرند.
• به عنوان عملگر فوکوس خودکار در دوربین‌ها و «پایدارکننده نوری تصویر» (Optical Image Stabilizer) در دوربین‌های تلفن همراه بکار می‌رود.
• برای بهبود عملکرد شیرهای پنوماتیک از این آلیاژ بهره می‌گیرند.
• در سازه‌های صنعتی از لوله‌های NiTi برای جبران ترک‌های سیمان استفاده می‌شود به طوریکه در اثر انقباض، ترک‌های بسیار ریز در سیمان پوشش داده می‌شوند.
• در فریم‌های عینک برای جلوگیری از شکستن راحت آن‌ها، از این آلیاژ کمک می‌گیرند.
• از آن‌جایی که این آلیاژ، با تغییر دما، تغییر شکل می‌دهد، از آن در سیستم‌های کنترل دما برای فعال و غیر فعال کردن سوییچ استفاده می‌شود.
• همچنین به کمک «پرکننده‌های نیکلی» (Nickel Fillers)، اتصالات محکمی بین لوله‌های NiTi و فولادی ایجاد خواهد شد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده‌ است،‌ آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های مهندسی مواد و معدن
• آموزش مهندسی جوش (جوش صنعتی)
• آهن و کاربردهای آن — از صفر تا صد
• سیلیکون و کاربردهای آن — از صفر تا صد
• جدول تناوبی — از صفر تا صد

^^