Lega a memoria di forma NITINOL

Il nichel titanio, noto anche come nitinol, è una lega metallica di nichel e titanio, dove i due elementi sono presenti in percentuali atomiche più o meno uguali. Le diverse leghe prendono il nome in base alla percentuale in peso di nichel; ad esempio, nitinol 55 e nitinol 60.

Le leghe di nitinol presentano due proprietà strettamente correlate e uniche: l'effetto memoria di forma e la superelasticità (chiamata anche pseudoelasticità). La memoria di forma è la capacità del nitinol di subire deformazione a una temperatura, rimanere nella sua forma deformata quando la forza esterna viene rimossa e quindi recuperare la sua forma originale e non deformata quando viene riscaldato al di sopra della sua "temperatura di trasformazione".

Composto NiTi.

Le insolite proprietà del nitinol derivano da una trasformazione reversibile di fase allo stato solido nota come trasformazione martensitica tra due diverse fasi cristalline di martensite, che richiede 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) di sollecitazione meccanica.

Ad alte temperature, il nitinolo assume una struttura cubica semplice compenetrata denominata austenite (nota anche come fase madre). A basse temperature, il nitinolo si trasforma spontaneamente in una struttura cristallina monoclina più complicata nota come martensite (fase figlia).[8] Esistono quattro temperature di transizione associate alle trasformazioni da austenite a martensite e da martensite ad austenite. Partendo dall'austenite completa, la martensite inizia a formarsi quando la lega viene raffreddata alla cosiddetta temperatura iniziale della martensite o Ms, e la temperatura alla quale la trasformazione è completa è chiamata temperatura di finitura della martensite, o Mf. Quando la lega è completamente martensite ed è sottoposta a riscaldamento, l'austenite inizia a formarsi alla temperatura iniziale dell'austenite, As, e termina alla temperatura di finitura dell'austenite, Af.[9]

Isteresi termica della trasformazione di fase del nitinol

Il ciclo di raffreddamento/riscaldamento presenta un'isteresi termica. L'ampiezza dell'isteresi dipende dalla precisa composizione e lavorazione del nitinol. Il suo valore tipico è un intervallo di temperatura compreso tra 20 e 50 gradi (36-90 gradi F), ma può essere ridotto o amplificato mediante lega[10] e lavorazione.[11]

Le proprietà cruciali del nitinol sono due aspetti chiave di questa trasformazione di fase. Il primo è che la trasformazione è "reversibile", il che significa che il riscaldamento al di sopra della temperatura di trasformazione riporterà la struttura cristallina alla fase austenite più semplice. Il secondo punto chiave è che la trasformazione in entrambe le direzioni è istantanea.

La struttura cristallina della martensite (nota come struttura monoclina o B19') ha la capacità unica di subire una deformazione limitata in qualche modo senza rompere i legami atomici. Questo tipo di deformazione è noto come gemellaggio, che consiste nel riarrangiamento dei piani atomici senza causare slittamento o deformazione permanente. È in grado di subire una tensione di circa il 6–8% in questo modo. Quando la martensite viene riconvertita ad austenite mediante riscaldamento, la struttura austenitica originale viene ripristinata, indipendentemente dal fatto che la fase martensitica sia stata deformata. In questo modo la forma della fase austenite ad alta temperatura viene "ricordata", anche se la lega viene gravemente deformata a una temperatura inferiore.[12]

Vista 2D della struttura cristallina del nitinol durante il ciclo di raffreddamento/riscaldamento

È possibile produrre una grande quantità di pressione impedendo la conversione della martensite deformata in austenite: da 240 MPa (35,000 psi) a, in molti casi, più di 690 MPa (100,000 psi) ). Uno dei motivi per cui il nitinol lavora così duramente per ritornare alla sua forma originale è che non è solo una normale lega metallica, ma ciò che è noto come composto intermetallico. In una lega ordinaria, i costituenti sono posizionati in modo casuale nel reticolo cristallino; in un composto intermetallico ordinato, gli atomi (in questo caso nichel e titanio) hanno posizioni molto specifiche nel reticolo.[13] Il fatto che il nitinol sia un intermetallico è in gran parte responsabile della complessità della fabbricazione di dispositivi realizzati con questa lega.

Applicazioni

Una graffetta in nitinol piegata e recuperata dopo essere stata immersa nell'acqua calda

Esistono quattro tipi di applicazioni comunemente utilizzati per il nitinol:

Recupero gratuito

Il nitinol si deforma a bassa temperatura, rimane deformato e poi viene riscaldato per recuperare la sua forma originale attraverso l'effetto memoria di forma.

Recupero limitato

Simile al recupero libero, tranne per il fatto che il recupero è rigidamente impedito e quindi si genera stress.

Produzione di lavoro

La lega può riprendersi, ma per farlo deve agire contro una forza (eseguendo quindi lavoro).

Superelasticità

Il Nitinol agisce come una super molla grazie all'effetto superelastico.

I materiali superelastici subiscono una trasformazione indotta dallo stress e sono comunemente riconosciuti per la loro proprietà di "memoria di forma". Grazie alla loro superelasticità, i fili NiTi mostrano un effetto "elastocalorico", ovvero un riscaldamento/raffreddamento innescato dallo stress. I fili NiTi sono attualmente oggetto di ricerca come il materiale più promettente per questa tecnologia. Il processo inizia con un carico di trazione sul filo, che fa sì che il fluido (all'interno del filo) fluisca verso HHEX (scambiatore di calore caldo). Contemporaneamente verrà espulso il calore che potrà essere utilizzato per riscaldare l'ambiente circostante. Nel processo inverso, lo scarico della trazione del filo porta il fluido a fluire verso CHEX (scambiatore di calore freddo), facendo sì che il filo NiTi assorba calore dall'ambiente circostante. Pertanto, la temperatura dell'ambiente può essere ridotta (raffreddata).

I dispositivi elastocalorici vengono spesso paragonati ai dispositivi magnetocalorici come nuovi metodi di riscaldamento/raffreddamento efficienti. Il dispositivo elastocalorico realizzato con fili NiTi presenta un vantaggio rispetto ai dispositivi magnetocalorici realizzati con gadolinio grazie al suo potere di raffreddamento specifico (a 2 Hz), che è 70X migliore (7 kWh/kg contro 0,1 kWh/kg). Tuttavia, i dispositivi elettrocalorici realizzati con fili NiTi presentano anche dei limiti, come la breve durata a fatica e la dipendenza da grandi forze di trazione (consumo di energia).