Aleación con memoria de forma NITINOL

El níquel titanio, también conocido como nitinol, es una aleación metálica de níquel y titanio, donde los dos elementos están presentes en porcentajes atómicos aproximadamente iguales. Las diferentes aleaciones se denominan según el porcentaje en peso de níquel; por ejemplo, nitinol 55 y nitinol 60.

Las aleaciones de nitinol exhiben dos propiedades únicas y estrechamente relacionadas: el efecto de memoria de forma y la superelasticidad (también llamada pseudoelasticidad). La memoria de forma es la capacidad del nitinol de sufrir deformación a una temperatura, permanecer en su forma deformada cuando se elimina la fuerza externa y luego recuperar su forma original, no deformada, al calentarse por encima de su "temperatura de transformación".

Compuesto de NiTi.

Las propiedades inusuales del nitinol se derivan de una transformación reversible de fase de estado sólido conocida como transformación martensítica entre dos fases cristalinas de martensita diferentes, que requiere 69–138 MPa (10,000–20,000 psi) de tensión mecánica.

A altas temperaturas, el nitinol asume una estructura cúbica simple interpenetrante denominada austenita (también conocida como fase madre). A bajas temperaturas, el nitinol se transforma espontáneamente en una estructura cristalina monoclínica más complicada conocida como martensita (fase hija).[8] Hay cuatro temperaturas de transición asociadas con las transformaciones de austenita a martensita y de martensita a austenita. A partir de austenita completa, la martensita comienza a formarse a medida que la aleación se enfría hasta la llamada temperatura inicial de martensita o Ms, y la temperatura a la que se completa la transformación se llama temperatura final de martensita o Mf. Cuando la aleación es completamente martensita y se somete a calentamiento, la austenita comienza a formarse a la temperatura inicial de austenita, As, y termina a la temperatura final de austenita, Af.[9]

Histéresis térmica de la transformación de fase del nitinol.

El ciclo de refrigeración/calefacción muestra histéresis térmica. La amplitud de la histéresis depende de la composición y el procesamiento precisos del nitinol. Su valor típico es un rango de temperatura que abarca aproximadamente 20 a 50 grados (36 a 90 grados F), pero puede reducirse o amplificarse mediante aleación[10] y procesamiento.[11]

Cruciales para las propiedades del nitinol son dos aspectos clave de esta transformación de fase. La primera es que la transformación es "reversible", lo que significa que calentar por encima de la temperatura de transformación revertirá la estructura cristalina a la fase austenita más simple. El segundo punto clave es que la transformación en ambas direcciones es instantánea.

La estructura cristalina de la martensita (conocida como estructura monoclínica o B19') tiene la capacidad única de sufrir una deformación limitada de algunas maneras sin romper los enlaces atómicos. Este tipo de deformación se conoce como macla, que consiste en el reordenamiento de planos atómicos sin provocar deslizamiento, ni deformación permanente. De esta manera es capaz de soportar entre un 6% y un 8% de tensión. Cuando la martensita se convierte en austenita mediante calentamiento, se restaura la estructura austenítica original, independientemente de si la fase martensita se deformó. Así, se "recuerda" la forma de la fase de austenita a alta temperatura, aunque la aleación se deforme gravemente a una temperatura más baja.[12]

Vista 2D de la estructura cristalina del nitinol durante el ciclo de enfriamiento/calentamiento.

Se puede producir una gran presión evitando la reversión de la martensita deformada a austenita, desde 240 MPa (35,000 psi) hasta, en muchos casos, más de 690 MPa (100,000 psi). ). Una de las razones por las que el nitinol trabaja tan duro para volver a su forma original es que no es sólo una aleación de metal ordinaria, sino lo que se conoce como un compuesto intermetálico. En una aleación ordinaria, los constituyentes están colocados aleatoriamente en la red cristalina; En un compuesto intermetálico ordenado, los átomos (en este caso, níquel y titanio) tienen ubicaciones muy específicas en la red. El hecho de que el nitinol sea un intermetálico es en gran medida responsable de la complejidad de fabricar dispositivos fabricados a partir de la aleación.

Aplicaciones

Un clip de nitinol doblado y recuperado después de haber sido colocado en agua caliente.

Hay cuatro tipos de aplicaciones comúnmente utilizadas para nitinol:

Recuperación gratuita

El nitinol se deforma a baja temperatura, permanece deformado y luego se calienta para recuperar su forma original mediante el efecto de memoria de forma.

Recuperación limitada

Similar a la recuperación gratuita, excepto que la recuperación se impide rígidamente y, por lo tanto, se genera estrés.

producción de trabajo

Se permite que la aleación se recupere, pero para hacerlo debe actuar contra una fuerza (realizando así trabajo).

superelasticidad

El nitinol actúa como un súper resorte gracias al efecto superelástico.

Los materiales superelásticos sufren una transformación inducida por tensión y son comúnmente reconocidos por su propiedad de "memoria de forma". Debido a su superelasticidad, los alambres de NiTi exhiben un efecto "elastocalórico", que es un calentamiento/enfriamiento activado por tensión. Actualmente se están investigando los alambres de NiTi como el material más prometedor para esta tecnología. El proceso comienza con una carga de tracción sobre el cable, lo que hace que el fluido (dentro del cable) fluya hacia HHEX (intercambiador de calor caliente). Al mismo tiempo se expulsará calor, que puede aprovecharse para calentar el entorno. En el proceso inverso, la descarga por tracción del cable hace que el fluido fluya hacia CHEX (intercambiador de calor frío), lo que hace que el cable de NiTi absorba calor del entorno. Por lo tanto, la temperatura del entorno se puede disminuir (enfriar).

Los dispositivos elastocalóricos a menudo se comparan con los dispositivos magnetocalóricos como nuevos métodos de calentamiento/enfriamiento eficiente. El dispositivo elastocalórico fabricado con cables de NiTi tiene una ventaja sobre los dispositivos magnetocalóricos fabricados con gadolinio debido a su potencia de enfriamiento específica (a 2 Hz), que es 70 veces mejor (7 kWh/kg frente a 0,1 kWh/kg). Sin embargo, los dispositivos electrocalóricos fabricados con alambres de NiTi también tienen limitaciones, como su corta vida a fatiga y la dependencia de grandes fuerzas de tracción (consumo de energía).