ニチノール形状記憶合金

ニチノールとしても知られるニッケルチタンは、ニッケルとチタンの金属合金であり、2 つの元素がほぼ等しい原子百分率で存在します。ニッケルの重量パーセントに応じて、さまざまな合金に名前が付けられます。例: ニチノール 55 およびニチノール 60。

ニチノール合金は、形状記憶効果と超弾性 (擬似弾性とも呼ばれます) という 2 つの密接に関連したユニークな特性を示します。形状記憶とは、ある温度で変形し、外力が取り除かれても変形した形状を維持し、「変態温度」以上に加熱すると元の変形していない形状を回復するニチノールの能力です。

NiTi化合物。

ニチノールの異常な特性は、2 つの異なるマルテンサイト結晶相間のマルテンサイト変態として知られる可逆的な固体相変態に由来しており、これには 69 ～ 138 MPa (10,000-20,000 psi) の圧力が必要です。機械的ストレス。

高温では、ニチノールはオーステナイト (母相とも呼ばれる) と呼ばれる相互浸透した単純な立方晶構造をとります。低温では、ニチノールはマルテンサイト (娘相) として知られるより複雑な単斜晶構造に自発的に変化します [8]。オーステナイトからマルテンサイトへの変態、およびマルテンサイトからオーステナイトへの変態に関連する転移温度は 4 つあります。完全なオーステナイトから始まり、合金がいわゆるマルテンサイト開始温度 (Ms) まで冷却されるとマルテンサイトが形成され始めます。変態が完了する温度はマルテンサイト終了温度 (Mf) と呼ばれます。合金が完全にマルテンサイトであり、加熱を受けると、オーステナイトの形成はオーステナイト開始温度 As で開始され、オーステナイト終了温度 Af で終了します。

ニチノールの相変態の熱ヒステリシス

冷却/加熱サイクルは熱ヒステリシスを示します。ヒステリシス幅は、正確なニチノールの組成と処理によって異なります。その典型的な値は約 20 ～ 50 度 (36 ～ 90 度 F) にわたる温度範囲ですが、合金化 [10] や加工によって減少または増加する可能性があります [11]。

ニチノールにとって重要な特性は、この相転移の 2 つの重要な側面です。 1 つ目は、変態が「可逆的」であるということです。つまり、変態温度以上に加熱すると、結晶構造がより単純なオーステナイト相に戻ります。 2 番目の重要なポイントは、両方向の変換が瞬時に行われることです。

マルテンサイトの結晶構造 (単斜晶、または B19' 構造として知られています) には、原子結合を破壊することなく、ある方法で限定的な変形を受ける独特の能力があります。このタイプの変形は双晶として知られており、滑りや永久変形を引き起こすことなく原子面が再配置されることで構成されます。この方法では、約 6 ～ 8% の歪みを受ける可能性があります。加熱によりマルテンサイトがオーステナイトに戻ると、マルテンサイト相が変形したかどうかに関係なく、元のオーステナイト組織が復元されます。したがって、合金が低温で激しく変形しても、高温のオーステナイト相の形状は「記憶」されます [12]。

冷却/加熱サイクル中のニチノールの結晶構造の 2D ビュー

変形マルテンサイトのオーステナイトへの復帰を防ぐことで、240 MPa (35, 000 psi) から多くの場合 690 MPa (100, 000 psi) 以上の大きな圧力を発生させることができます。 ）。ニチノールが元の形状に戻ろうとする理由の 1 つは、ニチノールが単なる金属合金ではなく、金属間化合物として知られているものであるためです。通常の合金では、成分は結晶格子内にランダムに配置されています。規則正しい金属間化合物では、原子 (この場合はニッケルとチタン) は格子内で非常に特定の位置にあります [13]。ニチノールが金属間化合物であるという事実は、合金から作られるデバイスの製造の複雑さの主な原因です。

アプリケーション

ニチノール製ペーパークリップを熱湯に入れると曲がって元に戻る

ニチノールの用途には、一般的に 4 つのタイプがあります。

無料回復

ニチノールは低温で変形し、変形した状態を維持し、その後加熱することで形状記憶効果により元の形状に戻ります。

制約のある回復

自由回復と似ていますが、回復が厳密に妨げられ、ストレスが生成される点が異なります。

作品制作

合金は回復することができますが、そのためには力に逆らって作用する必要があります（つまり、仕事をする必要があります）。

超弾性

ニチノールは超弾性効果によりスーパースプリングとして機能します。

超弾性材料は応力によって変形し、その「形状記憶」特性が一般的に認識されています。 NiTi ワイヤは、その超弾性により、応力によって引き起こされる加熱/冷却である「弾性熱量」効果を示します。 NiTi ワイヤは、この技術で最も有望な材料として現在研究中です。このプロセスは、ワイヤに引張荷重を加えることから始まり、これにより流体 (ワイヤ内の) が HHEX (高温熱交換器) に流れます。同時に熱が放出され、周囲を暖めるために使用できます。逆のプロセスでは、ワイヤの張力が解除されると流体が CHEX (低温熱交換器) に流れ、NiTi ワイヤが周囲から熱を吸収します。したがって、周囲の温度を下げる（冷却する）ことができる。

弾性熱量デバイスは、効率的な加熱/冷却の新しい方法として磁気熱量デバイスとよく比較されます。 NiTi ワイヤで作られた弾性熱量デバイスは、比冷却力 (2 Hz 時) によりガドリニウムで作られた磁気熱量デバイスよりも優れており、70 倍優れています (7 kWh/kg 対 0.1 kWh/kg)。ただし、NiTi ワイヤで作られた電気熱量デバイスには、疲労寿命が短いことや、大きな張力に依存する (エネルギーを消費する) などの制限もあります。