Giải mã màn ảo thuật kim loại "biến hình" đang rất được khoa học ưa chuộng

VTTechlogy
Hỏi và Đáp24 tháng mười một 202124 mon mười một 202104 tháng mười một 2022Lượt xem: 1045

Vật liệu Nitinol


Nititol là hợp kim của Niken và Titan với quánh tính độc đáo và khác biệt siêu bầy hồi, giả bầy hồi và quay trở về hình dạng cũ. Nititol có chức năng nhớ được hình dạng thuở đầu và quay lại hình dạng này lúc bị nung nóng. 

Lịch sử ra đời

Tên điện thoại tư vấn Nitinol xuất phát từ nơi vật liệu này được phân phát minh, Nickel Titanium-Naval Ordnance Laboratory (Phòng phân tách Vũ khí Hải quân). William J. Buehler với Frederick Wang sẽ phát hiện tại ra các đặc tính vật liệu trong quá trình nghiên cứu tại Phòng nghiên cứu Vũ khí hải quân năm 1959. Buehler cố gắng tạo vật liệu cho mũi tên lửa tốt hơn, kháng mỏi, chống va đập và chịu nhiệt. Nhận thấy hợp kim titan và niken vói xác suất 1:1 đáp ứng nhu cầu được yêu mong trên, ông đã trình bày mẫu vật liệu trong buổi họp phòng thử nghiệm năm 1961. Miếng mẫu được uốn cong như đàn accordion, mọi fan đi vòng quang đãng thăm quan. Một người dùng bật lửa hơ vào mẫu, cùng trước sự ngạc nhiên của phần nhiều người, miếng mẫu mã hình đàn accordion co hẹp và trở lại hình dạng cũ trước đó.

Bạn đang xem: Giải mã màn ảo thuật kim loại "biến hình" đang rất được khoa học ưa chuộng

Tiềm năng của nitonl được phân biệt ngay chớp nhoáng nhưng ứng dụng thương mại chỉ được tiến hành 1 thập kỷ sau đó. Lí do sự chậm rãi chễ này do vật liệu rất cạnh tranh nóng chảy, cách xử lý và gia công. Ngay cả khi đã cách xử lý được thì chi tiêu xử lý cũng rất lớn chỉ sút dần sau năm 1980. 

Tính chất cơ học

*

Hình hình ảnh 3D kết cấu trạng hái austenite với martensite của Nitinol.

Đặc tính độc đáo của Nitinol khởi nguồn từ sự thay đổi pha tâm lý rắn đảo ngược call là chuyển phát triển thành martensite, giứa hai tinh thế chuyển vươn lên là martensite khác nhau, bên dưới ứng suất cơ học 10,000–20,000 psi (69–138 MPa). Ở ánh nắng mặt trời cao, nitinol mang định cấu tạo lập phương dễ dàng gọi là austenite (hay còn được gọi là pha mẹ). Ở ánh sáng thấp, nitinol từ phát đưa sang cấu tạo tinh thể đơn tà phức tạp hơn điện thoại tư vấn là martensite (pha con). Có 4 điểm ánh nắng mặt trời chuyển tâm lý trong quá trình từ austenite quý phái martensite cùng từ martensite lịch sự austenite. Ban đầu ở trạng thái austenite, hợp kim martensite được hiện ra khi được thiết kế nguội đến nhiệt độ bước đầu quá trình martensite hotline là Ms, tiếp nối quá trình hình thành martensite hoàn toàn tại nhiệt độ Mf. Khi kim loại tổng hợp ở trạng thái martensite, austenite bước đầu hình thành tại ánh nắng mặt trời bắt đầu austenite hotline là As và xong ở nhiệt độ Af.

*
 

Biểu thiết bị nhiệt quá trình chuyển trộn Nitinol.

Giữa chu trình làm nguội cùng nung nóng có sự trễ nhiệt. Chiều rộng lớn của quá trình trễ này nhờ vào vào nguyên tố Nitinol và quá trình xử lý. Giá chỉ trị điển hình nổi bật của khoảng tầm nhiệt độ trễ này là khoảng từ đôi mươi - 50 độ C nhưng rất có thể giảm hoặc tăng dùng hợp kim và quy trình xử lý.

Cấu trúc tinh thể Martensite tất cả đặc tính rất dị là chịu biến dị mà không làm phá vỡ link nguyên tử. Kiểu biến dị này hotline là sinh đôi, bao hàm việc bố trí lại phương diện nguyên tử mà không khiến trượt, biến dạng vĩnh viễn. Khi nung nóng martensite để trở thành austenite, cấu trúc ban đầu austenitic được khôi phục, bất kể vật liệu tại pha martensite gồm bị biến dạng hay không. Với cấu trúc này Martensite hoàn toàn có thể biến dạng bọn hồi 6-8%. Thuật ngữ "nhớ hình dạng" ám chỉ bản thiết kế tại pha austenite nhiệt độ cao được lưu giữ lại, ngay cả khi hợp kim bị biến dị nghiêm trọng tại pha ánh nắng mặt trời thấp hơn. Quá trình làm lạnh lẽo pha austenite thành pha martensite, làm biến dị pha martensite, kế tiếp nung lạnh thành pha austenite, trở lại hình dạng thuở đầu không bị biến dạng gọi là hiệu ứng nhớ hình trạng nhiệt. Để quay trở lại hình dạng ban sơ ở pha cha, kim loại tổng hợp phải được cố định vị trí cùng nung nóng sống 500 độ C.

Quy trình sản xuất

Nitinol cực kỳ khó sản xuất vị yêu cầu điều hành và kiểm soát thành phần nghiêm ngặt và kĩ năng phản ứng cực đại của titan. Phương pháp cướp nguyên tử titan kết phù hợp với oxy hoặc các bon từ mạng Ni
Ti sẽ tạo nên nhiệt độ chuyển đổi thấp hơn nhiều. Tất cả hai cách sản xuất chủ yếu:

Nấu tan lại hồ nước quang chân ko (Vacuum arc remelting - VAR)

Phương pháp này triển khai bằng cái điện hồ nước quang giữa nguyên liệu thô và tấm đồng làm cho mát bằng nước. Quy trình nấu chảy triển khai trong môi trường thiên nhiên chân không cao, với khuôn đúc chính là tấm đông làm mát bởi nước.

Nấu chảy bằng từ tường chân không (Vacuum induction melting - VIM)

Phương pháp này triển khai bằng dòng từ trường chuyển phiên chiều nung nóng nguyên vật liệu thô trong nồi nấu kim loại (thường là bằng những bon). Quy trình này cũng triển khai trong môi trường chân không.

Mặc mặc dù cả hai phương thức này đều có ưu điểm riêng tuy vậy thực tế phương pháp công nghiệp VIM gồm lượng tạp chất thấp hơn cách thức công nghiệp VAR, dẫn mang đến sức bền mỏi xuất sắc hơn. Các phương thức khác áp dụng ở quy mô nhỏ tuổi bao gồm: nấu ăn chảy hồ quang plasma, nấu bếp chảy nồi từ , nấu chảy e-beam.

Gia công nóng nitinol rất dễ dàng, nhưng tối ưu nguội khôn cùng khó bởi tính bọn hồi siêu lớn hợp kim làm tăng lực xúc tiếp với khuôn hoặc cuộn cán, dẫn mang đến lực ma gần kề và mài mòn nguyên lý rất lớn. Cũng lí do bởi vậy việc tối ưu khó bởi độ dẫn sức nóng của nitinol thấp, dẫn cho rất khó đào thải nhiệt. Nitinol gia công thuận tiện bằng các phương thức như mài mòn (cắt mài mòn), gia công tia lửa năng lượng điện ( Electrical discharge machining - EDM), giảm laser.

Xử lý nhiệt độ nitinol khôn xiết tinh vi cùng quan trọng. Đây là quá trình chuyên sâu về loài kiến thức tinh chỉnh nhiệt độ. Việc kiểm soát và điều hành thời gian và ánh nắng mặt trời hóa già của quy trình ngưng tụ pha giàu Ni, và bởi đó kiểm soát hàm lượng Niken trong mạng Ni
Ti, hóa già có tác dụng tăng ánh nắng mặt trời chuyển biến. Việc phối hợp xử lý sức nóng và làm cho lạnh là yếu tố thiết yếu kiểm soát tính chất nitinol.

Thông số kỹ thuật

Tính chất chuyển trạng thái
Nhiệt độ gửi trạng thái từ -200 mang đến 110 độ C
Nhiệt ẩn chứa chuyển hóa (Latent heat of transformation)  5.78 cal/g
Biến dạng đưa trạng thái (đối với vật liệu đa tinh thể)cho 1 chu kỳtối đa 8%
cho 100 chu kỳ 6%
cho 100,000 chu kỳ 4%
Độ trễ ( Hysteresis) từ 30 đến 50 độ C
Tính chất vật lý
Điểm rét chảy 1300 độ C
tỷ trọng 6.45 g/cu.cm
Độ dẫn nhiệtaustenite0.18 W/cm * deg. C
martensite0.086 W/cm * deg. C
Hệ số co và giãn nhiệtaustenite11.0E-6/deg. C
martensite6.6E-6/deg. C
Nhiệt lượng riêng 0.20 cal/g * deg. C
khả năng chống nạp năng lượng mòn tuyệt vời
 Tính chất điện với từ
Điện trở suất ( austenitexấp xỉ 100 micro-ohms * cm
martensitexấp xỉ 80 micro-ohms * cm
Độ từ bỏ tính 
 Tính hóa học cơ học
Mô đun ứng suất (Young"s modulus)austenitexấp xỉ 83 GPa
martensitexấp xỉ 28 mang đến 41 GPa 
Giới hạn tan (Yield strength)austenite 195 mang lại 690 MPa 
 martensite70 cho 140 MPa 
Giới hạn bền kéo (Ultimate tensile strength)ủ toàn phần (fully annealed)895 MPa
làm cứng nguội (work hardened)1900 MPa
hệ số Poisson0.33
độ dãn lâu năm thử kéo đứt ( Elongation at failure)ủ toàn phần (fully annealed)25 cho 50%
 làm cứng nguội (work hardened) 5 mang lại 10%
Tính công tác tại nhiệt độ nóng khá tốt
Tính công tác tại ánh sáng lạnh khó
gia công khó, ưu tiên dùng giải pháp mài mòn

Ứng dụng

Nitinol thường áp dụng cho 4 loại áp dụng chính

Khôi phục hình dạng

Vật liệu bị làm biến dị ở ánh nắng mặt trời thấp sau đó khôi phục lại dạng hình khi nung nóng nhờ hiệu ứng nhớ hình dạng.

Khôi phục làm ra hạn chế

Việc phục sinh lại giống như khôi phục hình dạng hoàn toàn nhưng bị chống chặn 1 phần để tạo ra lực căng.

Phục hồi sửa chữa

Vật liệu được làm bé nhỏ lại ở nhiệt độ thấp gửi vào vào thiết bị, quan trọng ... Tiếp đến nung nóng nhằm trở về bản thiết kế cũ, dùng gia cố sửa chữa thay thế lại mạch máu, sản phẩm ... Dưới tính năng lực ép.

Siêu dẻo

Nitinol chuyển động như hết sức lò xo qua hiệu ứng siêu dẻo.

Do tính vô cùng dảo, nitinol có hiệu ứng nhiệt bầy hồi (elastocaloric), có nghĩa là vật liệu nóng dần lên / rét mướt đi dưới công dụng của lực ứng suất. Khi tính năng lực dàn ra dây Nitinol, mẫu chất lỏng rã trong dây sẽ tăng cao lên và tung đến cỗ tỏa nhiệt độ nóng (HHEX - Hot Heat Exchanger). Thường xuyên như vậy nhiệt toát ra sẽ dùng làm sởi ấm xung quanh. Theo chiều ngược lại khi quăng quật lực kéo, mẫu chất lỏng rã trong dây Nitinol vẫn lạnh đi với chảy đến cỗ làm non ( CHEX -Cold Heat Exchanger), dùng để làm mát môi trường thiên nhiên xung quanh. Đây là loại vật tư hứa hẹn độc nhất vô nhị trong tương lai.

Xem thêm: Nickel - niken là gì

Trong nghành robotic, Nitinol thực hiện như một cỗ thực thi vận động khi gồm dòng năng lượng điện hoặc nhiệt độ công dụng lên gai Nitinol, sợi dây thu hẹp khi tất cả có điện với dãn ra khi không có điện. Không y như các sắt kẽm kim loại khác, Nitinol co hẹp dưới công dụng nhiệt theo chiều lâu năm nhưng không thay đổi thể tích, và vận động nhiệt lớn hơn 100 lần so với những kim các loại khác.

Trong y tế

Vít cấy ghép xương (bone staple) sử dụng Nitinol là ví dụ điển hình nổi bật về việc áp dụng sự co lại vày nhiệt của trang bị liệu. Vít được kéo căng ra luồn vào 2 lỗ trên đoạn xương sẵn sàng nối lại, tiếp nối nung nóng để vít co lại và thắt chặt và cố định xương. Chuyên môn này rất tác dụng trong việc cố định và điều trị bệnh về xương.

Dùng trong nha khoa đặc biệt là chỉnh nha cần sử dụng làm dây cùng giá đỡ thêm với răng. Niềng răng Sure Smile là ví dụ như của vật liệu này trong chỉnh nha.

Ống sten nititol. Ống Nitinol được ép bé dại lại chuyển vào vào mạch máu, tiếp nối dưới chức năng của cái điện ống vẫn to ra phòng đỡ bảo đảm an toàn cho đoạn mạch bị tổn thương.

Nội nha (Endodontics) cần sử dụng làm không bẩn và tạo hình ống tủy.

Trong phẫu thuật mổ xoang đại trực tràng, nó được sử dụng trong những thiết bị khác biệt cho mục đích liên kết lại ruột sau khi bệnh lý được các loại bỏ.

Hợp kim ghi nhớ hình- vật dụng liệu cũng đều có kíức.

By Kỹ thuật vật liệu Materials Engineering on mon Sáu 19, 2021• ( 0 )

Giới thiệu một loại vật tư với anh tài không ngờ tới.

Quả nhẵn bàn vật liệu nhựa bị móp đề nghị nhúng nước nóng để phồng lên. Tương tự như vậy, có hay không vật liệu sắt kẽm kim loại quay được về trạng thái lúc đầu nhờ nung nóng?

*
" data-image-caption="" data-medium-file="https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/hop-kim-nho-hinh-shape-memory-alloys.jpg?w=300" data-large-file="https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/hop-kim-nho-hinh-shape-memory-alloys.jpg?w=700" src="https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/hop-kim-nho-hinh-shape-memory-alloys.jpg?w=868" alt="hợp kim nhớ hình Shape memory alloys" class="wp-image-544" title="hợp kim nhớ hình Shape memory alloys" srcset="https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/hop-kim-nho-hinh-shape-memory-alloys.jpg 868w, https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/hop-kim-nho-hinh-shape-memory-alloys.jpg?w=150 150w, https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/hop-kim-nho-hinh-shape-memory-alloys.jpg?w=300 300w, https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/hop-kim-nho-hinh-shape-memory-alloys.jpg?w=768 768w" sizes="(max-width: 868px) 100vw, 868px" />Câu vấn đáp là trọn vẹn có; đó đó là hợp kim lưu giữ hình (SMA- Shape memory alloys).

Năm 1959, hợp kim nhớ hình Ni-Ti được nhà phân tích người Mỹ William J. Buehler phát lúc này Phòng xem sét Naval Ordnance Laboratory. Trong tương lai đặt tên kim loại tổng hợp này là Nitinol. Từ kia đã khắc ghi bước ngoặt về vận dụng của kim loại tổng hợp thông minh này, đặc biệt là lĩnh vực sản phẩm không vũ trụ trong thời hạn 60 của ráng kỉ trước.

Hiện tượng trái bóng bàn phù lên được lý giải do không gian trong quả bóng bàn nóng lên, nở ra, gây ra lực khủng làm trái bóng phồng lại như cũ.

Vậy thì, hiện tượng trở lại trạng thái lúc đầu của hợp kim Nitinol hay các SMA nói chung được phân tích và lý giải như cầm cố nào?

Câu trả lời nằm sinh sống sự thay đổi cấu trúc ở cấp độ nguyên tử, là sự chuyển trở thành pha khi thay đổi nhiệt độ. Ban đầu hợp kim Nitinol được thiết kế nóng có pha Austenite và chế tạo ra hình, nó sẽ giữ lại “kí ức” về dáng vẻ này. Tiếp theo làm rét sang trộn Martensit; và trong tương lai dù tất cả bị biến dạng tới mức nào đi nữa thì cũng sẽ quay về hình dạng ban đầu nếu được nung nóng.

*
" data-image-caption="" data-medium-file="https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/vat-lieu-thong-minh-smart-material-nho-hinh-memory.jpg?w=300" data-large-file="https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/vat-lieu-thong-minh-smart-material-nho-hinh-memory.jpg?w=700" src="https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/vat-lieu-thong-minh-smart-material-nho-hinh-memory.jpg?w=852" alt="vật liệu xuất sắc smart material ghi nhớ hình memory" class="wp-image-546" title="vật liệu lý tưởng smart material ghi nhớ hình memory" srcset="https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/vat-lieu-thong-minh-smart-material-nho-hinh-memory.jpg 852w, https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/vat-lieu-thong-minh-smart-material-nho-hinh-memory.jpg?w=150 150w, https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/vat-lieu-thong-minh-smart-material-nho-hinh-memory.jpg?w=300 300w, https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/vat-lieu-thong-minh-smart-material-nho-hinh-memory.jpg?w=768 768w" sizes="(max-width: 852px) 100vw, 852px" />Đặc tính rất dị này giúp vật tư nhớ hình được ứng dụng rộng thoải mái trong nhiều lĩnh vực như hàng không vũ trụ, điện tử y sinh, công nghiệp ô tô cũng tương tự đời sống mặt hàng ngày.

Ứng dụng thành công danh tiếng là vật dụng liệu sản xuất ăng ten bên trên tàu Apollo 11 năm 1969, chuyến bay không khí đã hạ cánh cùng con người thứ nhất đáp xuống khía cạnh Trăng.

*
" data-image-caption="SMA Shape memory alloys kim loại tổng hợp nhớ hình apolo

" data-medium-file="https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/sma-shape-memory-alloys-hop-kim-nho-hinh-apolo.jpg?w=300" data-large-file="https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/sma-shape-memory-alloys-hop-kim-nho-hinh-apolo.jpg?w=700" src="https://vatlieucokhi.files.wordpress.com/2021/06/sma-shape-memory-alloys-hop-kim-nho-hinh-apolo.jpg" alt="SMA Shape memory alloys kim loại tổng hợp nhớ hình apolo" class="wp-image-549" title="SMA Shape memory alloys hợp kim nhớ hình apolo" />

Trên thực tế, nó được làm bằng hợp kim nhớ hình ở đk bình thường, tiếp nối hạ nhiệt độ xuống thấp, thể tích ăng ten được bớt xuống hàng trăm lần new đưa vào tàu không gian. Ăng ten này sau khoản thời gian lên mặt trăng sẽ trở về hình dạng lúc đầu thông qua bức xạ nhiệt của khía cạnh trời.

Vậy là, đồ dùng liệu cũng có kí ức. Khai quật được tiềm năng đó, họ sẽ có được không ít ứng dụng béo phệ hơn.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *