Nitinol - den uppstudsiga metallen
av Kai Finell Forum 1982-06, sida 12-13, 31.03.1982
-
- .” - + 1—- fö AN mg a
F ab fak ileger ege
Metållspiraler som mjuknar i kyla men återfår ‘spänsten i, Närmelåter onaturligt. Att nickel; eri legerin “tekniken Ytterst-välkänd metall, skulle kunna dölja fsådana metallurgiskt rebelliska anlag” är föga troligtsL Fd. verkar tanken på titdn.som en utlösande ar så helt ur fas-trån. metallerna endemönster. Därför kansko das tation av nickel-titan-legeringen; Niti -—S LFEit överraskande anonymt material krolg flera unika” fr DR upptäckta redan för nära et na de den uppstudsiga
S varts un e Som så många andra upptäckter avslöjades Nitinolens förbryllande fa soner av en tillfällighet. Närmare bestämt år 1958 vid US Navys artillerilaboratorium. Därav namnet Ni-TiN(aval)-O(rdance)-L(aboratory). När de första göten av denna, egentligen för projektilprov avsedda, legering kom ut ur smältan råkade Navys dåvarande chefmetallurg, William Buehler, helt rutinmässigt dunka två avkylda fingertjocka Nitinol-stavar mot varandra. Det egendomligt blyaktigt klanglösa ljudet väckte då ingen uppmärksamhet.
Litet senare stötte emellertid två andra likadana, men ännu osvalnade, stavar händelsevis ihop på golvet. N däremot med klart klingande metalljud. Enda skillnad mellan bitarna var att första paret hade avkylts medan det sistnämnda = fortfarande var nästan glödhett! En märklig iakttagelse som snart ledde till målmedvetet utförda temperaturexperiment. Vilka i sin tur uppdagade en hel räcka ometalliska märkligheter.
Häpnad och misstro
I sig remarkabla materialegenskaper som ingen ännu i dag helt har kunnat förklara. Inga tidigare metallurgiska erfarenheter antyder vad som egentligen utlöser just denna legerings egen domliga inre strukturväxlingar.
Första konfrontationen med metallens förbryllande beteende resulterar vanligen i en viss häpnad, parad med odefinierbar misstro. Även om man är fullt förberedd på vad som påstås komma att hända. Skribenten själv var härvidlag inget undantag.
På begäran fick jag mig, per brev, tillsänd en Nitinol-trådstump från amerikanska Allegheny Internationals dotterbolag ”Special Metals Corporation” — via vänlig förmedling av USAkollegan Science Digest. Inte någon imponerande bit — bara 90 mm lång och 0,5 mm tjock — men tillräcklig för att påtagligt bevisa de märkliga så at —>ÖH forts. från sid 1 samarbete med den svenska MoDokoncernen. Tryckslipningen grundar sig på konventionell stenslipning, men slipningen sker nu under övertryck. Processtemperaturen är 94—96 ?C. De första tryckslipmaskinerna togs i bruk sommaren 1979 i MoDos exportsliperi i Bure och i Tampellas pappersbruk i Anjala.
Transportstol för handikappad e Uppfinnare: Viljo Korpela. Används av LIC, Landstingens Inköpscentral.
Transportstolen är avsedd för svårt rörelsehämmade och för helt förmalade. Avsikten är att underlätta det dagliga arbetet för både skötare och patienter.
Med hjälp av transportstolen kan e 1 skötare lätt och tryggt lyfta och förflytta en patient till ett visst ställe tex i rullstol eller i säng.
Det stereofoniska ljudåtergivningssystemet ortoperspekt e Uppfinnare: Tapio Köykkä. Används av inhemska och utländska företag bla Voimaradio Oy.
Uppfinnare Köykkäs patenterade uppfinningar och innovationer från flera decennier har tagit sikte på att förbättra kvaliteten på ljudförstärkarna i radiooch televisionsapparater. Hans uppfinningar har många varit före sin tid. Tapio Köykkä har haft en avgörande andel i förklaringen av transientdistorsionen.
Den internationellt sett mest kända av Köykkäs uppfinningar är ortoperspekta-ljudåtergivningssystemet. — Systemet ger lyssnaren ett ljudintryck motsvarande god koncertsal vid stereoutsändningar i radio- och television.
Forum 6/8 säga ”förmminnesegenskapernas” existens, Även om provbitens ringa massa — vikt ca 120 mg — krävde en viss varsamhet vid experimenten.
I hög rumstemperatur är Nitinoltråden spänstig som en pianotråd. Men ett dopp i kallt vatten gör den mjuk och smidigt lätt att böja. Och rent av linda i formbestående spiral runt en penna. Ett hetvattensbad får emellertid den mjuka spiralen att erinra sig sitt förflutna och återta sin ursprungliga, obetydligt krökta, form — med återvunnen spänst!
Inga trötthetssymtom
William Buehler fann snart några andra märkliga egenskaper hos Nitinol. Upprepade tvära bockningar av och an medförde, liksom i alla andra metaller, en tydlig upvärmning av bockninsstället. Men bara vid bockningstillrället. När tråden rätades ut igen sjönk temperaturen! Trots otaliga bockningar visade sig inga tecken på materialtrötthet.
En Nitinol-tråd som i mjuktillstånd krusas till en våglinje befanns räta ut sig själv när man drog den igenom en cigarrettändarlåga. Trots en mångfald sådana konfunderande demonstrationer noterade vetenskapen inte Nitinols barocka beteenden som annat än laboratoriekursiositeter. Ända fram till 1973 då uppfinnartalangen Ridgway Banks, vid ryktbara Berkeley Labs i Californien, demonstrerade en liten motor arbetande med Nitinolsträngars temperaturstyrda spänst som drivkraft. Den lilla motorn blev ryktbar.
Inte på grund av någon famöst hög verkningsgrad eller prestationsförmåga — den beräknades ge ifrån sig en knapp watt effekt. Det väsentliga var att den ännu efter flera hundratusen omlopp inte visade några som helst spår av materialtrötthet. Tvärtom hade varvtalet, efter några hundratusen varv, ökat påfallande!
Strukturellt dubbelminne
Det föreföll som om den lilla Nitinol-motorn — arbetande med ett tjog tunna U-böjda Nitinol-strängar, apterade på lika många exentriskt navfästa ekrar — efter en tid skulle ha utvecklat ett slags dubbelminne. Som bildligt sagt påskyndade materialets molekylers inneboende tendens att, i lägre temperatur, snabbare ordna sig för drivstavens uppmjukning till Uböjningen i kallvattensbadet. Eftersom en smula mindre energi då behövdes för strängarnas tvångsböjning, stod litet mera än förr till buds för friktionsöver Forum 6/8 vinning vid strängarnas drivkraftsutlösande spänstningar på varmvattensidan. En kanske godtagbar förklaring till det något högre varvtalet.
Ån så länge har dock ingen tillfredsställande utredning presterats rörande orsakerna till vare sig det ”primära minnet” för strukturell spänst vid högre temperatur eller avslappningstendensen en vid lägre. Numera lär Banks i alla fall experimentera med en 20 W motor, medan en annan fd LawrenceBerkeley laborant, Bob Turpin, påstås ha en motor redo för 100 W. (enl. Science Digest, March 1982)
Forskning pågå Även om uppenbart liten publicitet getts eventuella försök att teoretiskt utreda orsakerna till Nitinolens säregna reaktioner har först nyligen intensifierade elektronmikroskopiska undersökningar äntligen rapporterats. Med undantag av Scientific American Nov. 1979 — ”Shape Memory Alloys” — har hela detta fenomen överhuvudtaget inte alls berörts ytterom rent vetenskapliga kretsar.
Förutom i USA pågår numera dock redan allsidig forskning litet varstans i världen rörande metallegeringarnas “fornminnesfenomen”. Särskilt i Storbritannien, Schweiz, Västtyskland och Japan. Att Sovjetunionen också är med på ett hörn får man ta för givet.
Över 400 vetenskapliga utredningar finns redan registrerade och tills dato har drygt 100 patent sökts i USA, för praktiskt utnyttjande av Nitinol-effek UNDERHÅLLSFRI VÄRMEVENTIL
TVÅVÄGSVENTIL
BEHÅLLARE FÖR AVFALLSVATTEN
BEHÅLLARE FÖ fem ETERVINNING
En dansk uppfinnares förslag till ventil för tillvaratagande av värme i avloppsvatten. För kallt vatten öppnar ventilens motvikt för fri passage. Varmt vatten ger nitinolfjädern spänst att vända ventilen så att vattnet leds in i en värmereservoar.
ter. Däribland över 20 för olika slags ”värmemotorer” och nya idéer inströmmar varje vecka. Exempel se skissen för en avskiljningsventil för varmvattensupplagring.
Bland de rent kommersiella forsknings laboratorierna må här nämnas sådana storföretag som General Motors, Good Year, McDonnel Douglas, Grumman och Lockheed. I Silver Spring, Maryland, hölls senaste höst ett Nitinolsymposium - bekostat av USAs energidepartement - med ett 60-tal av världens ledande termodynamiska och metallurgiska forskare som deltagare.
Överkomligt pris
Mången läsare undrar säkert över vilken titanhalt legeringen har och hur dyr den ställer sig på marknaden. Den trådstump jag själv kommit över består av ca 45 & titan och 55 2 nickel. Och avslöjar som sagt formminnesegenskaper inom ett temperaturområden man kunde kalla kokhett respektive iskallt vatten. Litet mer titan lär höja ”spänstaktivitetsområdet” till 120 ”C som ett slags minimivärde. Vilket skulle ge en metall lämpad för exempelvis ventiler och kopplingsdon i brandalarms- och sprinklerarmatur.
En annan nära till hands liggande tanke är allehanda kraftkällor i rymdfarkoster. Där de stora temperaturskillnaderna mellan sol- och skuggsida borde ge Nitinol-don en idealisk arbetsmiljö. Vidare kan man tänka sig Nitinol-apparatur för att utnyttja energin från temperaturskillnaden mellan industriellt spill- och kylvatten. Och varför inte geotermiskt vatten där sådant finns tillgängligt i närheten av kallare vatten. Havströmmarnas gränsområden inte heller att förglömma.
Eftersom både nickel och titan visat sig vara inerta också vid lång kontakt med kroppsvätskorna antyds även en kommande biomedicinsk användning. I första hand kanske som inremedicinska mätsonder och don för att vid behov hålla artärer öppna. Eventuellt rent av som mekaniska hjälpmedel fungerande likt musklernas sammandragning och kontraktion. Kanske en, med ett knippe Nitinolfibrer driven, artificiell hjärtpump som slutmål.
Priset anses inte vara oöverkomligt. Just nu är svårigheterna närmast att få tag på någon tillverkare som saluför produkten. Nitinol-tråd, hur tjock vet jag inte, sägs ännu nyligen ha stått att köpa för ca 10 mk/m. För ren beställningsvara har internationellt kalkylerats ett pris av 50—70 mk per kg. Varken nickel eller titan är särskilt sällsynta.
Kai Finel 13