Alliage à mémoire de forme NITINOL
Le nickel-titane, également connu sous le nom de nitinol, est un alliage métallique de nickel et de titane, dans lequel les deux éléments sont présents en pourcentages atomiques à peu près égaux. Différents alliages sont nommés en fonction du pourcentage pondéral de nickel ; par exemple, nitinol 55 et nitinol 60.
Les alliages de nitinol présentent deux propriétés uniques et étroitement liées : l’effet mémoire de forme et la superélasticité (également appelée pseudo-élasticité). La mémoire de forme est la capacité du nitinol à subir une déformation à une température, à rester dans sa forme déformée lorsque la force externe est supprimée, puis à retrouver sa forme originale non déformée lors d'un chauffage au-dessus de sa « température de transformation ».
Composé NiTi.
Les propriétés inhabituelles du nitinol proviennent d'une transformation réversible de phase à l'état solide connue sous le nom de transformation martensitique entre deux phases cristallines de martensite différentes, qui nécessite 69 à 138 MPa (10,000–20,000 psi) de contrainte mécanique.
À haute température, le nitinol adopte une structure cubique simple interpénétrée appelée austénite (également connue sous le nom de phase mère). À basse température, le nitinol se transforme spontanément en une structure cristalline monoclinique plus complexe connue sous le nom de martensite (phase fille).[8] Il existe quatre températures de transition associées aux transformations austénite-martensite et martensite-austénite. À partir de l'austénite complète, la martensite commence à se former à mesure que l'alliage est refroidi jusqu'à ce qu'on appelle la température de départ de la martensite ou Ms, et la température à laquelle la transformation est terminée est appelée la température de fin de la martensite, ou Mf. Lorsque l'alliage est entièrement martensite et est soumis à un chauffage, l'austénite commence à se former à la température de départ de l'austénite, As, et se termine à la température de fin de l'austénite, Af.[9]
Hystérésis thermique de la transformation de phase du nitinol
Le cycle de refroidissement/chauffage présente une hystérésis thermique. La largeur de l'hystérésis dépend de la composition précise du nitinol et du traitement. Sa valeur typique est une plage de température allant d'environ 20 à 50 degrés (36 à 90 degrés F), mais elle peut être réduite ou amplifiée par alliage[10] et traitement.[11]
Deux aspects clés de cette transformation de phase sont cruciaux pour les propriétés du nitinol. Premièrement, la transformation est « réversible », ce qui signifie que le chauffage au-dessus de la température de transformation ramènera la structure cristalline à la phase austénitique plus simple. Le deuxième point clé est que la transformation dans les deux sens est instantanée.
La structure cristalline de la martensite (connue sous le nom de structure monoclinique ou structure B19') a la capacité unique de subir une déformation limitée d'une certaine manière sans rompre les liaisons atomiques. Ce type de déformation est connu sous le nom de jumelage, qui consiste en un réarrangement des plans atomiques sans provoquer de glissement, ni de déformation permanente. Il est capable de subir ainsi une contrainte d’environ 6 à 8 %. Lorsque la martensite est transformée en austénite par chauffage, la structure austénitique d'origine est restaurée, que la phase martensite ait été déformée ou non. Ainsi, la forme de la phase austénitique à haute température est « mémorisée », même si l'alliage est gravement déformé à une température plus basse.[12]
Vue 2D de la structure cristalline du nitinol pendant le cycle de refroidissement/chauffage
Une grande pression peut être produite en empêchant la réversion de la martensite déformée en austénite - de 240 MPa (35,000 psi) à, dans de nombreux cas, plus de 690 MPa (100,000 psi). ). L’une des raisons pour lesquelles le nitinol travaille si dur pour retrouver sa forme originale est qu’il ne s’agit pas simplement d’un alliage métallique ordinaire, mais de ce que l’on appelle un composé intermétallique. Dans un alliage ordinaire, les constituants sont positionnés de manière aléatoire dans le réseau cristallin ; dans un composé intermétallique ordonné, les atomes (dans ce cas, le nickel et le titane) ont des emplacements très spécifiques dans le réseau.[13] Le fait que le nitinol soit un intermétallique est en grande partie responsable de la complexité de la fabrication des dispositifs fabriqués à partir de cet alliage.
Applications
Un trombone en nitinol plié et récupéré après avoir été placé dans l'eau chaude
Il existe quatre types d’applications couramment utilisés pour le nitinol :
Récupération gratuite
Le nitinol se déforme à basse température, reste déformé, puis est chauffé pour retrouver sa forme originale grâce à l'effet mémoire de forme.
Reprise contrainte
Semblable à la récupération libre, sauf que la récupération est strictement empêchée et qu’un stress est ainsi généré.
Production de travaux
L'alliage peut récupérer, mais pour ce faire, il doit agir contre une force (effectuant ainsi un travail).
Superélasticité
Le nitinol agit comme un super ressort grâce à son effet superélastique.
Les matériaux superélastiques subissent une transformation induite par une contrainte et sont communément reconnus pour leur propriété de « mémoire de forme ». En raison de leur superélasticité, les fils NiTi présentent un effet « élastocalorique », qui est un chauffage/refroidissement déclenché par une contrainte. Les fils NiTi font actuellement l’objet de recherches comme étant le matériau le plus prometteur pour cette technologie. Le processus commence par une charge de traction sur le fil, qui provoque l'écoulement du fluide (à l'intérieur du fil) vers le HHEX (échangeur de chaleur chaud). Simultanément, de la chaleur sera expulsée, qui pourra être utilisée pour chauffer l’environnement. Dans le processus inverse, le déchargement en traction du fil entraîne un écoulement de fluide vers CHEX (échangeur de chaleur froid), ce qui amène le fil NiTi à absorber la chaleur de l'environnement. Par conséquent, la température de l’environnement peut être diminuée (refroidie).
Les appareils élastocaloriques sont souvent comparés aux appareils magnétocaloriques en tant que nouvelles méthodes de chauffage/refroidissement efficaces. Les appareils élastocaloriques fabriqués avec des fils NiTi ont un avantage sur les appareils magnétocaloriques fabriqués avec du gadolinium en raison de leur puissance de refroidissement spécifique (à 2 Hz), qui est 70X meilleure (7 kWh/kg contre 0,1 kWh/kg). Cependant, les dispositifs électrocaloriques fabriqués avec des fils NiTi présentent également des limites, telles que leur courte durée de vie en fatigue et leur dépendance à des forces de traction importantes (consommation d'énergie).
