Wersja z 12:12, 12 sty 2021

Silniki nitinolowe

Co to jest nitinol?

Nitinol to stop niklu i tytanu. Został opracowany w latach 60 lub nawet 50 XX w. w laboratoriach poszukujących lepszych materiałów konstrukcyjnych dla lotnictwa. Lotnictwo ówcześnie intensywnie przechodziło transformację od silników tłokowych do odrzutowych. Stawiało to zupełnie nowe wyzwania i wymagało znalezienia nowych materiałów, mających lepsze właściwości, jak np. wytrzymałość zmęczeniową, czy odporność na powstawanie mikropęknięć. Nitinol był dość obiecującym materiałem dla tej branży, gdy nagle, przypadkowo odkryto jego zupełnie nieoczekiwane właściwości.

Właściwości

Zacznijmy od tego, że nitinol jest odpornym na korozję (w technicznym znaczeniu) stopem. Ma dość niski ciężar właściwy, dużą wytrzymałość doraźną i rewelacyjne właściwości pod względem wytrzymałości zmęczeniowej.

Przede wszystkim jednak nitinol okazał się być materiałem z pamięcią kształtu. Efekt jest wyzwalany poprzez dostarczenie energii cieplnej, co wywołuje zmianę organizacji sieci krystalicznej nitinolu. Zależnie od składu i domieszek następuje to w temperaturach od ok. -20 °C do ok. +110 °C.

Z jednej strony, efekt ma dość prosty model teoretyczny. Jednak z drugiej strony wydaje się, że wystąpienie tego efektu powinno w skali makroskopowej prowadzić do deformacji kształtu wyrobu z nitinolu, ew. pogorszeniu jego właściwości. Tak się jednak nie dzieje. Z pewnymi ograniczeniami, po ogrzaniu odkształconego plastycznie wyrobu z nitinolu otrzymujemy oryginalny kształt, bez zauważalnej utraty właściwości wytrzymałościowych. Wyjaśnienie tego fenomenu jest dość skomplikowane i odsyłamy czytelników do źródeł naukowych[1] (patrz koniec tekstu) lub, chociaż do anglo-języcznej wersji Wikipedii.

Zastosowania

Nitinol dość powszechnie stosuje się w medycynie, przemyśle kosmicznym, robotyce… docenia się zarówno jego odporność na korozję, bardzo dużą wytrzymałość i, oczywiście, efekt pamięci kształtu.

W praktyce

Aby efekt pamięci kształtu wystąpił, nitinol najpierw musi zostać odkształcony plastycznie. Aby przyjął ponownie oryginalny kształt musi zostać ogrzany. W wypadku nitinolu dostępnego na rynku, jest to zwykle ok. 70..80 °C. Tzn. np. mamy prosty drut nitinolowy o temperaturze pokojowej. Formujemy/zwijamy go w sprężynkę – niezbędne jest odkształcenie plastyczne. Drut staje się sprężynką. Jeżeli jednak odpowiednio go ogrzejemy, np. włożymy do szklanki z wrzącą herbatą, natychmiast odzyska swój pierwotny, prosty kształt. Przemiana nastąpi gwałtownie, łącznie z wystąpieniem zagrożenia stłuczenia szklanki(!).

Powstaje pytanie, jak trwale odkształcić nitinol? Okazało się to również proste. Tzn. aby otrzymać trwale odkształcony przedmiot z nitinolu, należy ogrzać go do temperatury ponad ok. ~230 °C i w tej temperaturze nadać kształt, a następnie ochłodzić. To będzie nowy, trwały kształt wyrobu.

Ograniczenia

Nitinol jest dość sztywnym materiałem. Wcale nie jest łatwo go odkształcić. Mając do czynienia z drutem o grubości rzędu 0,1 mm zarówno gięcie, jak i cięcie nie stanowi problemu. Natomiast grubsze druty raczej da się ciąć tylko przy użyciu szlifierki, a giąć jest dość trudno. Zdajemy sobie sprawę, że każdy drut, odkształcany plastycznie, w miejscu zgięcia rozgrzewa się. W wypadku drutu z nitinolu o odpowiednio dużej grubości powoduje to u niego chęć powrotu do oryginalnego kształtu, przeciwdziałającą odkształceniu. Z drugiej strony, z uwagi na zjawiska nieliniowe, wygięte grubsze druty, po ogrzaniu, nie będą wracać do oryginalnego kształtu w 100%. Będzie obserwowalna pewna histereza tego zjawiska. Widać, że właściwości nitinolu można w pełni wykorzystać tylko w konstrukcjach cienkościennych lub wykonanych z cienkiego drutu.

Silniki

Prof. Jerzy Dowkontt w książce „Teoria silników cieplnych”[2], w rozdz. IV pisze: „Silniki cieplne służą do uzyskania – głównie z energii chemicznej – pracy mechanicznej, a to w drodze wyzyskania zjawisk cieplnych. Podstawowym zjawiskiem, umożliwiającym otrzymywanie pracy jest rozszerzalność cieplna ciał, które ogrzane dążą do zajęcia jak największej objętości”. Stąd widzimy, że silniki nitinolowe nie są klasycznymi silnikami cieplnymi. Tak jak trudno zaprzeczyć, że wykorzystują ciepło do zmiany struktury krystalicznej nitinolu, to w zasadzie ich działania – wykonania pracy mechanicznej - nie jest wykorzystywane zjawisko rozszerzalności cieplnej.

Nitinol dość powszechnie stosuje się w siłownikach. Wiele osób próbowało zastosować go również w silnikach. Na YouTube można znaleźć parę filmów prezentujących takie modele. Są to zwykle filmy marnej jakości, zamieszczane przez entuzjastów darmowej energii…

Konstrukcja mechaniczna silnika może być bardzo prosta, ale ogólna sytuacja taka prosta nie jest. Silniki, z elementami aktywnymi wykorzystującymi właściwości nitinolu wcale nie mają wysokiej sprawności. Bierze się to stąd, co opisaliśmy w dwóch poprzednich rozdziałach. Aby silnik działał, nitinolowy element pracujący mechanicznie musi zostać odkształcony plastycznie, ogrzany (aby wykonać pracę i przyjąć pierwotny kształt), a następnie schłodzony, aby dało się go ponownie odkształcić mechanicznie. Do tego dochodzą problemy z energią powstającą w wyniku plastycznego odkształcenia w grubszych elementach nitinolowych (w zasadzie we wszystkich, ale w grubszych łatwiej to zauważyć). Pomimo tego, że potrzebna jest nieduża różnica temperatur, sam proces realizacji cyklu pracy silnika jest wyjątkowo trudny do przeprowadzenia bez znacznych strat energetycznych. I to jest główny powód, dla którego takie silniki nie są masowo produkowane.

Model silnika nitinolowego

Pomimo wszystkich wad, silnik taki można zbudować. Nawet w warunkach amatorskich. Postanowiłem zrobić to tak prosto, jak to tylko możliwe. Tak, aby pokazać możliwie jasno zasadę jego pracy. Czyli odkształcenie plastyczne elementu aktywnego (nitinolowego), jego ogrzanie i wykonanie pracy mechanicznej oraz ponowne chłodzenie. W tym modelu silnika jest zamontowany tylko jeden element nitinolowy, wykonany z drutu 0,1mm o długości zaledwie ok. 20 mm, z czego mechanicznie pracuje zaledwie ok. 5 mm. Jest to wystarczające do zilustrowania zasady pracy takiego silnika.

Widok ogólny naszego modelu. Działa, ale ponieważ jest zbudowany z przypadkowych elementów, należało by go nazwać "demonstratorem technologii". Po obecności kubka od razu widać, że źródłem energii będzie gorąca woda.

Szczegół konstrukcyjny. Szary kawałek drutu to właśnie nitinol.

Model podczas pracy.

Poniżej model silnika podczas pracy: [Film]

Zakończenie

Nitinol jest bardzo interesującym materiałem. Jednak jest dość drogi oraz trudny w obróbce. Owszem, czasem wykorzystuje się go do budowy siłowników stosowanych w robotach. Jednak naprawdę mało nadaje się jako element czynny w silnikach obrotowych wykonujących pracę mechaniczną.

Zalecana literatura

• [1] Henryk Morawiec, „Metale z pamięcią kształtu i ich zastosowanie”, Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, Katowice 2014.
• [2] Jerzy Dowkontt, „Teoria silników cieplnych”, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 1973.

Tekst przygotował: dr inż. Szymon Dowkontt

Jeżeli nie zaznaczono inaczej, zdjęcia autora.

Powrót do "Strony głównej"

Powrót do "Wydania 2021"