terça-feira, 20 de abril de 2021

NITINOL - Conheça a liga metálica inteligente!

Formada por Níquel-titânio,( tipicamente de 50 a 51% de níquel em porcentagem atômica (55 a 56% em porcentagem de peso), também conhecido como nitinol, é uma liga metálica de níquel e titânio, em que os dois elementos estão presentes em percentagens atômicas praticamente iguais.

O nitinol exibe duas propriedades únicas que são relacionadas: efeito térmico de memória e superelasticidade (também chamada de pseudoelasticidade). O efeito térmico de memória é a capacidade do nitinol de sofrer deformação em certa temperatura, e então recuperar sua forma original após ser aquecido acima de sua "temperatura de transformação". A superelasticidade é um efeito que acontece em um intervalo de temperaturas mais estrito, logo acima da temperatura de transformação. Neste caso, não é necessário aquecimento para causar a recuperação da forma original, e o material exibe enorme elasticidade, cerca de 10-30 vezes a de um metal comum.

Durante as pesquisas lo Laboratório de Material Bélico Naval do EUA, em 1962, dois cientistas, William J. Buehler e Frederick Wang, descobriram estas propriedades.

Sem muita aplicações para e época, a importância da descoberta foi meio deixada de lado. Uma das causas seria a grande  dificuldade em fundir, processar e mecanizar a liga. Além disto, problemas financeiros que só foram contornados na década de 1990 também dificultaram estes esforços, quando estes obstáculos práticos finalmente começaram a ser resolvidos.

Outros materiais também apresentam este efeito  térmico de memória que foi descoberto em 1932 pelo pesquisador sueco Arne Olander que observou esta propriedade pela primeira vez em ligas de ouro e cádmio. O mesmo efeito foi observado em ligas de cobre e zinco no início dos anos 1950.

Como funciona?

As propriedades incomuns do nitinol derivam de uma transformação de fase de estado sólido reversível, conhecida como transformação martensítica.

Em altas temperaturas o nitinol possui uma estrutura de cristal cúbico interpenetrante primitiva, conhecida como austenita (também conhecida como fase pai). Em baixas temperaturas, o nitinol espontaneamente se transforma para uma estrutura cristalina monocíclica mais complicada conhecida como martensita (fase filha). A temperatura em que a austenita se transforma em martensita é geralmente chamada de temperatura de transformação. Mais especificamente, existem quatro temperaturas de transição. Quando a liga é austenita completa, a martensita começa a se formar conforme a liga esfria na assim chamada temperatura Ms ou início de martensita, e a temperatura em que a transformação é completa é chamada de temperatura Mf ou final de martensita. Quando a liga é martensita completa e é sujeita a aquecimento, a austenita começa a se formar na temperatura As, e termina na temperatura Af.


Dois aspectos da transformação de fase são cruciais às propriedades do nitinol. O primeiro é que a transformação é "reversível", significando que o aquecimento acima da temperatura de transformação irá reverter a estrutura cristalina para a fase austenita, mais simples. O segundo ponto é que a transformação em ambas direções é instantânea.

 Em uma liga comum, os elementos são posicionados aleatoriamente na estrutura cristalina, e em um composto intermetálico ordenado, os átomos (neste caso, níquel e titânio) tem posições bastante específicas na estrutura. O fato do nitinol ser intermetálico é o maior responsável pela dificuldade para criar dispositivos feitos desta liga.

Processo de manufatura:

O nitinol é extremamente difícil de fazer, devido ao controle absurdo necessário, e à tremenda reatividade do titânio. Cada átomo do titânio que se combina com oxigênio ou carbono é um átomo roubado da estrutura NiTi, deslocando a composição e tornando a temperatura de transformação mais fria. Existem dois métodos de fusão usados atualmente:

Refusão a arco sob vácuo: é feita pela aplicação de um arco elétrico entre a matéria prima e uma placa de cobre resfriada à água. A fusão é feita em alto vácuo, e o molde é cobre resfriado à água, de forma a não introduzir carbono durante a fusão.

Fusão à indução sob vácuo: é feita usando campos magnéticos alternantes para aquecer a matéria prima em um cadinho (geralmente de carbono). Este processo também é feito em alto vácuo, mas há a introdução do carbono durante o processo.

Os dois métodos tem vantagens, mas não há dados substanciais mostrando que o material feito por um processo é melhor que o de outro. Outros métodos também são usados em uma escala menor, incluindo fusão por arco de plasma, fusão por indução, e fusão e-beam. A deposição física de vapor também é usada em uma escala de laboratório.

O trabalho a quente do nitinol é relativamente fácil, mas o trabalho a frio é difícil devido à enorme elasticidade da liga que aumenta o contato da matriz ou de rolamento, levando a uma resistência friccional tremenda e a um desgaste das ferramentas. De forma semelhante, a usinagem é extremamente difícil - para piorar as coisas, a condutividade térmica do nitinol é pobre, tornando difícil a remoção do calor. A retífica (corte abrasivo), eletroerosão e corte à laser são todos relativamente fáceis.

O tratamento do nitinol com calor é delicado e crítico. É a ferramenta essencial para fazer o ajuste fino da temperatura. O tempo de envelhecimento e a temperatura controlam a precipitação de várias fases ricas em níquel, controlando desta forma a quantidade de níquel na estrutura NiTi. Ao esgotar a matriz de níquel, o envelhecimento aumenta a temperatura de transformação. A combinação de tratamento com calor e trabalho à frio é essencial para controlar as propriedades do nitinol.[11]

Aplicações da liga nos dias de hoje:

Super elasticidade: como discutido acima, o nitinol funciona como uma super mola.

Foi realizada em 1989 uma pesquisa nos Estados Unidos e Canadá, envolvendo sete organizações. A pesquisa enfocou previsões de tecnologia, mercado e aplicações futuras do SMA. As companhias previram os seguintes usos do Nitinol em ordem decrescente de importância:

 Acoplamentos, biomédica e médica, ortodontia, brinquedos, demonstrações, novidades, atuadores, máquinas térmicas, sensores, moldes e bolhas de memória ativados criogenicamente, e finalmente equipamentos elevadores.

O nitinol também é popular em quadros de vidros extremamente resilientes. Também é usado em algumas molas de relógios mecânicos.

Pode ser usado como um sistema de controle de temperatura, quando ele muda de forma, pode ativar uma chave ou um resistor variável para controlar a temperatura.

Ele é usado na tecnologia de celulares, como uma antena articulada, ou extensão de microfone, devido a sua natureza altamente flexível e memória mecânica.

É usado em alguns produtos novos, como colheres auto-entortantes, que podem ser usadas por mágicos amadores e profissionais para demonstrar poderes "mágicos" ou como uma brincadeira, com a colher se dobrando e torcendo quando usada para agitar café, chá ou outro líquido aquecido.

Pode ser usado como sondas de arame, para localizar e marcar tumores de mama de forma a tornar mais precisa a cirurgia.


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