Nikl titan - Nickel titanium

Nikl Titan
Nitinol draht.jpg
Nitinolové dráty
Vlastnosti materiálu
Bod tání 1310 ° C (2390 ° F)
Hustota 6,45 g/cm 3 (0,233 lb/cu v)
Elektrický odpor (austenit) 82 × 10 - 6  Ω · cm
(martenzit) 76 × 10 - 6  Ω · cm
Tepelná vodivost (austenit) 0,18 W/cm · K
(martenzit) 0,086 W/cm · K
Součinitel tepelné roztažnosti (austenit) 11 × 10 - 6 /° C
(martenzit) 6,6 × 10 - 6 /° C
Magnetická propustnost <1,002
Magnetická citlivost (austenit) 3,7 × 10 - 6  emu/g
(martenzit) 2,4 × 10 - 6  emu/g
Modul pružnosti (austenit) 75–83 GPa
(martenzit) 28–40 GPa
Mez kluzu (austenit) 195–690 MPa
(martenzit) 70–140 MPa
Poissonův poměr 0,33
Vlastnosti nitinolu jsou zvláště důležité pro přesné složení slitiny a její zpracování. Tyto specifikace jsou typické pro komerčně dostupné slitiny nitinolu s tvarovou pamětí. NITINOL

Niklu a titanu , také známý jako je Nitinol , je kovová slitina z niklu a titanu , kde jsou přítomny v přibližně stejných atomárních procentech oba prvky. Různé slitiny jsou pojmenovány podle hmotnostního procenta niklu; např. Nitinol 55 a Nitinol 60 . Vykazuje efekt tvarové paměti a superelasticitu při různých teplotách.

Slitiny nitinolu vykazují dvě úzce související a jedinečné vlastnosti: efekt tvarové paměti a superelasticitu (nazývanou také pseudoelasticita ). Tvarová paměť je schopnost nitinolu podstoupit deformaci při jedné teplotě, zůstat ve svém deformovaném tvaru, když je odstraněna vnější síla, a poté obnovit svůj původní, nedeformovaný tvar po zahřátí nad svou „transformační teplotu“. Superelasticita je schopnost kovu projít velkými deformacemi a okamžitě se vrátit do svého nedeformovaného tvaru po odstranění vnějšího zatížení. Nitinol se může deformovat 10–30krát více než běžné kovy a vrátit se do původního tvaru. Zda se nitinol chová s efektem tvarové paměti nebo superelasticitou závisí na tom, zda je nad teplotou transformace konkrétní slitiny. Pod teplotou transformace vykazuje efekt tvarové paměti a nad touto teplotou se chová superelasticky.

Dějiny

Slovo Nitinol je odvozeno od jeho složení a místa objevu: ( Ni ckel Ti tanium- N aval O rdnance L aboratory). William J. Buehler spolu s Frederickem Wangem objevili jeho vlastnosti během výzkumu v laboratoři Naval Ordnance Laboratory v roce 1959. Buehler se pokoušel vyrobit lepší kužel nosu střely, který by odolal únavě , horku a síle nárazu . Poté, co zjistil, že slitina niklu a titanu v poměru 1: 1 může tuto práci zvládnout, v roce 1961 představil vzorek na zasedání vedení laboratoře. Vzorek, složený jako harmonika , byl předán kolem a ohnut účastníky. Jeden z nich aplikoval teplo ze svého dýmkového zapalovače na vzorek a k překvapení všech se pás ve tvaru harmoniky stáhl a získal svůj předchozí tvar.

Zatímco potenciální aplikace nitinolu byly realizovány okamžitě, praktické úsilí o komercializaci slitiny se uskutečnilo až o deset let později. Toto zpoždění bylo do značné míry způsobeno mimořádnými obtížemi při tavení, zpracování a obrábění slitiny. I tyto snahy narážely na finanční výzvy, které nebyly snadno překonány až v 80. letech 20. století, kdy se tyto praktické potíže konečně začaly řešit.

Objev účinku tvarové paměti obecně se datuje do roku 1932, kdy švédský chemik Arne Ölander poprvé pozoroval nemovitost ve slitinách zlata a kadmia. Stejný účinek byl pozorován u Cu-Zn ( mosaz ) na počátku 50. let minulého století.

Mechanismus

3D pohled na austenitové a martenzitové struktury sloučeniny NiTi.

Neobvyklé vlastnosti Nitinolu jsou odvozeny z reverzibilní fázové transformace v pevné fázi známé jako martenzitická transformace mezi dvěma různými krystalickými fázemi martenzitu, která vyžaduje mechanické napětí 10 000–20 000 psi (69–138 MPa).

Při vysokých teplotách předpokládá nitinol vzájemně se prostupující jednoduchou kubickou strukturu označovanou jako austenit (známá také jako mateřská fáze). Při nízkých teplotách se nitinol spontánně transformuje na komplikovanější monoklinickou krystalovou strukturu známou jako martenzit (dceřiná fáze). S transformací austenitu na martenzit a martenzitu na austenit jsou spojeny čtyři přechodové teploty. Počínaje plným austenitem se martenzit začíná tvořit, když je slitina ochlazena na takzvanou počáteční teplotu martenzitu , neboli M s , a teplota, při které je transformace dokončena, se nazývá konečná teplota martenzitu neboli M f . Když je slitina plně martenzitem a je vystavena ohřevu, začne se austenit tvořit při počáteční teplotě austenitu A s a končí při konečné povrchové teplotě austenitu A f .

Tepelná hystereze fázové transformace nitinolu

Cyklus chlazení/ohřevu ukazuje tepelnou hysterezi . Šířka hystereze závisí na přesném složení a zpracování nitinolu. Jeho typická hodnota je teplotní rozsah zahrnující přibližně 20–50 K (20–50 ° C; 36–90 ° F), ale lze jej snížit nebo zesílit legováním a zpracováním.

Klíčové vlastnosti nitinolu jsou dva klíčové aspekty této fázové transformace. První je, že transformace je „reverzibilní“, což znamená, že zahřátím nad teplotu transformace se vrátí krystalová struktura na jednodušší austenitickou fázi. Druhým klíčovým bodem je, že transformace v obou směrech je okamžitá.

Krystalová struktura Martensitu (známá jako monoklinická nebo B19 'struktura) má jedinečnou schopnost určitým způsobem podstoupit omezenou deformaci bez porušení atomových vazeb. Tento typ deformace je známý jako twinning , který spočívá v přeskupení atomových rovin bez způsobení skluzu nebo trvalé deformace. Tímto způsobem je schopen podstoupit asi 6–8% napětí. Když se martenzit zahříváním vrátí na austenit, obnoví se původní austenitická struktura bez ohledu na to, zda byla fáze martenzitu deformována. Název „tvarová paměť“ tedy odkazuje na skutečnost, že tvar vysokoteplotní austenitické fáze je „zapamatován“, přestože je slitina při nižší teplotě silně deformována.

2D pohled na krystalickou strukturu nitinolu během cyklu chlazení/ohřevu

Zabráněním reverze deformovaného martenzitu na austenit lze vyvinout velký tlak - od 35 000 psi (240 MPa) do, v mnoha případech více než 100 000 psi (690 MPa). Jedním z důvodů, proč se nitinol tak tvrdě vrací do původního tvaru, je to, že to není jen obyčejná kovová slitina, ale to, co je známé jako intermetalická sloučenina . V běžné slitině jsou složky náhodně umístěny v krystalové mřížce; v uspořádané intermetalické sloučenině mají atomy (v tomto případě nikl a titan) velmi specifická umístění v mřížce. Skutečnost, že nitinol je intermetalický, je do značné míry zodpovědná za složitost výroby zařízení vyrobených ze slitiny.

Vliv složení nitinolu na teplotu M s .

Výše popsaný scénář (ochlazení austenitu za vzniku martenzitu, deformace martenzitu, následné zahřátí pro návrat k austenitu, čímž se vrací původní, nedeformovaný tvar) je známý jako efekt tepelné tvarové paměti. K upevnění původního „základního tvaru“ musí být slitina držena na místě a zahřátá na přibližně 500 ° C (932 ° F). Tento proces se obvykle nazývá nastavení tvaru . Druhý účinek, nazývaný superelasticita nebo pseudoelasticita, je také pozorován u nitinolu. Tento účinek je přímým důsledkem skutečnosti, že martenzit může být vytvářen působením napětí i chlazením. V určitém teplotním rozsahu lze tedy na austenit působit napětím, což způsobí vznik martenzitu a současně změnu tvaru. V tomto případě, jakmile je napětí odstraněno, nitinol se spontánně vrátí do původního tvaru. V tomto způsobu použití se nitinol chová jako superpružina, která má pružný rozsah 10–30krát větší než u běžného pružinového materiálu. Existuje však omezení: účinek je pozorován pouze asi 273-313 K (0-40 ° C, 32 až 104 ° F) nad A f teplotě. Tato horní hranice je označována jako M d , což odpovídá nejvyšší teplotě, při které je stále možné stresem indukovat tvorbu martenzitu. Pod M d tvorba martenzitu při zatížení umožňuje superelasticitu v důsledku twinningu. Nad M d , protože se martenzit již netvoří, je jedinou reakcí na napětí prokluz austenitické mikrostruktury, a tedy trvalá deformace.

Nitinol se obvykle skládá z přibližně 50 až 51% niklu v atomových procentech (55 až 56% hmotnostních procent). Provádění malých změn ve složení může výrazně změnit teplotu přechodu slitiny. Transformační teploty v nitinolu lze do určité míry řídit, kde teplota A f se pohybuje od asi -20 ° C do +110 ° C. Proto je běžnou praxí odkazovat se na formulaci nitinolového jako „superelastické“ nebo „austenitické“ jestliže A f je nižší než referenční teplotě, přičemž jako „tvarovou pamětí“ nebo „martenzitické“ pokud je vyšší. Referenční teplota je obvykle definována jako pokojová teplota nebo teplota lidského těla (37 ° C; 98 ° F).

Jedním z často se vyskytujících účinků nitinolu je takzvaná R-fáze . Fáze R je další martenzitická fáze, která soutěží s výše uvedenou martenzitickou fází. Protože nenabízí velké paměťové efekty martenzitické fáze, obvykle nemá praktické využití.

Výrobní proces

Výroba nitinolu je mimořádně obtížná, a to kvůli mimořádně přísné požadované kontrole složení a obrovské reaktivitě titanu. Každý atom titanu, který se kombinuje s kyslíkem nebo uhlíkem, je atomem, který je vyloupen z NiTi mřížky, čímž se posune složení a teplota transformace je mnohem nižší. Dnes se používají dvě primární metody tavení:

Vakuové obloukové přetavování (VAR)
To se provádí zasažením elektrického oblouku mezi surovinou a vodou chlazenou měděnou úderovou deskou. Tavení se provádí ve vysokém vakuu a samotná forma je vodou chlazená měď.
Vakuové indukční tavení (VIM)
To se provádí pomocí střídavých magnetických polí k ohřevu surovin v kelímku (obecně uhlíku). To se také provádí ve vysokém vakuu.

Přestože obě metody mají výhody, bylo prokázáno, že průmyslově nejmodernější roztavený materiál VIM má menší inkluze než průmyslový nejmodernější VAR, což vede k vyšší odolnosti proti únavě. Další výzkumná zpráva uvádí, že VAR využívající extrémně vysoce čisté suroviny může vést ke snížení počtu inkluzí a tím ke zlepšení únavového chování. V butikovém měřítku se používají i jiné metody, včetně tavení plazmovým obloukem, tavení indukční lebky a tavení elektronovým paprskem. V laboratorním měřítku se také používá fyzikální depozice par .

Zpracování nitinolu za tepla je relativně snadné, ale tváření za studena je obtížné, protože obrovská pružnost slitiny zvyšuje kontakt matrice nebo válce, což vede k obrovskému třecímu odporu a opotřebení nástroje. Z podobných důvodů je obrábění extrémně obtížné - aby toho nebylo málo, tepelná vodivost nitinolu je špatná, takže teplo je obtížné odstranit. Broušení (abrazivní řezání) , elektroerozivní obrábění (EDM) a řezání laserem jsou relativně snadné.

Tepelné zpracování nitinolu je delikátní a kritické. Je to proces náročný na znalosti, který má doladit teploty transformace. Čas a teplota stárnutí řídí srážení různých fází bohatých na Ni, a tím řídí, kolik niklu se nachází v NiTi mřížce; vyčerpáním matice niklu stárnutí zvyšuje teplotu transformace. Kombinace tepelného zpracování a zpracování za studena je nezbytná při kontrole vlastností nitinolových produktů.

Výzvy

Únavová selhání nitinolových zařízení jsou neustálým předmětem diskuse. Protože je to materiál volby pro aplikace vyžadující obrovskou flexibilitu a pohyb (např. Periferní stenty, srdeční chlopně, chytré termomechanické akční členy a elektromechanické mikroaktivní pohony), je ve srovnání s jinými kovy nutně vystaven mnohem větší únavové zátěži. Zatímco únavový výkon nitinolu řízený deformací je lepší než všechny ostatní známé kovy, únavové poruchy byly pozorovány v těch nejnáročnějších aplikacích. Probíhá velké úsilí ve snaze lépe porozumět a definovat limity trvanlivosti nitinolu.

Nitinol je polovina niklu, a proto v lékařském průmyslu existuje velké znepokojení ohledně uvolňování niklu, známého alergenu a možného karcinogenu. (Nikl je také ve značném množství přítomen ve slitinách nerezové oceli a kobaltu a chromu.) Nitinol při správném zpracování ( elektrolytickým leštěním a/nebo pasivací ) vytváří velmi stabilní ochrannou vrstvu TiO 2, která působí jako velmi účinná a samoopravitelná bariéra. proti iontové výměně. Opakovaně se ukázalo, že například nitinol uvolňuje nikl pomaleji než nerezová ocel. S tím bylo řečeno, že velmi raná lékařská zařízení byla vyrobena bez elektrolytického leštění a byla pozorována koroze. Dnešní nitinolové vaskulární samoroztažitelné metalické stenty například nevykazují žádné známky koroze nebo uvolňování niklu a výsledky u pacientů s alergií na nikl a bez něj jsou nerozeznatelné.

O inkluzích v nitinolu, TiC i Ti 2 NiO x, se vedou neustálé a dlouhodobé diskuse . Stejně jako ve všech ostatních kovech a slitinách lze v nitinolu nalézt inkluze. Velikost, distribuci a typ inkluzí lze do určité míry kontrolovat. Teoreticky by menší, kulatější a málo inkluzí měly vést ke zvýšené únavové odolnosti. V literatuře některé rané práce uvádějí, že neprokázaly měřitelné rozdíly, zatímco nové studie ukazují závislost odolnosti proti únavě na typické velikosti inkluze ve slitině.

Nitinol je obtížné svařovat, a to jak k sobě, tak k jiným materiálům. Laserové svařování nitinolu k sobě je poměrně rutinní proces. Nedávno byly pomocí niklového plniva vytvořeny silné spoje mezi dráty NiTi a dráty z nerezové oceli. Mezi trubkami NiTi a trubkami z nerezové oceli byly provedeny laserové a wolframové inertní plyny (TIG). Probíhá další výzkum dalších procesů a dalších kovů, ke kterým lze přivařit nitinol.

Frekvence aktivace nitinolu závisí na tepelném managementu, zejména během chladicí fáze. Ke zvýšení chladicího výkonu se používá řada metod, jako je nucený vzduch, proudící kapaliny, termoelektrické moduly (tj. Tepelná čerpadla Peltier nebo polovodičová), chladiče, vodivé materiály a vyšší poměr povrchu k objemu (vylepšení až 3,3 Hz s velmi tenké vodiče a až 100 Hz s tenkovrstvým nitinolem). Nejrychlejší aktivace nitinolu byla zaznamenána vysokonapěťovým kondenzátorovým výbojem, který ohříval vodič SMA způsobem mikrosekund a vedl k úplné fázové transformaci (a vysokým rychlostem) během několika milisekund.

Nedávné pokroky ukázaly, že zpracování nitinolu může rozšířit termomechanické schopnosti, což umožňuje zabudování více tvarových pamětí do monolitické struktury. Výzkum technologie více pamětí probíhá a slibuje, že v blízké budoucnosti dodá vylepšená zařízení s tvarovou pamětí a aplikaci nových materiálů a materiálových struktur, jako jsou hybridní materiály s tvarovou pamětí (SMM) a kompozity s tvarovou pamětí (SMC).

Aplikace

Po vložení do horké vody se nitinolová kancelářská sponka ohnula a vzpamatovala

Existují čtyři běžně používané typy aplikací pro nitinol:

Bezplatná obnova
Nitinol se při nízké teplotě deformuje a zahřívá, aby získal zpět svůj původní tvar prostřednictvím efektu Shape Memory.
Omezené zotavení
Pokud jde o bezplatné zotavení, kromě toho, že zotavení je přísně zabráněno, a proto je generováno napětí.
Pracovní výroba
Slitina se zde může vzpamatovat, ale k tomu musí působit proti síle (tedy vykonávat práci).
Superelasticita
Nitinol působí jako superpramen díky superelastickému efektu.
Superelastické materiály procházejí transformací vyvolanou napětím a jsou běžně uznávány pro svou vlastnost „tvarové paměti“. Díky své superelasticitě vykazují dráty NiTi „elastokalorický“ efekt, což je napěťově spouštěné zahřívání/chlazení. Dráty NiTi jsou v současné době ve výzkumu jako nejslibnější materiál pro tuto technologii. Proces začíná zatěžováním drátu tahem, což způsobí proudění tekutiny (uvnitř drátu) do HHEX (horký výměník tepla). Současně bude odvedeno teplo, které lze využít k ohřevu okolí. Při obráceném procesu vede tahové vykládání drátu k proudění tekutiny do CHEX (studený výměník tepla), což způsobuje, že drát NiTi absorbuje teplo z okolí. Proto lze okolní teplotu snížit (ochladit).
Elastokalorická zařízení jsou často srovnávána s magnetocalorickými zařízeními jako novými metodami účinného vytápění/chlazení. Elastokalorické zařízení vyrobené z vodičů NiTi má výhodu oproti magnetokalorickému zařízení vyrobenému z gadolinia díky svému specifickému chladicímu výkonu (při 2 Hz), který je 70krát lepší (7 kWh/kg vs. 0,1 kWh/kg). Elastokalorické zařízení vyrobené z drátů NiTi má však také omezení, jako je krátká únavová životnost a závislost na velkých tahových silách (spotřebovávajících energii).
V roce 1989 byl ve Spojených státech a Kanadě proveden průzkum, do kterého bylo zapojeno sedm organizací. Průzkum se zaměřil na predikci budoucí technologie, trhu a aplikací SMA. Společnosti předpovídaly následující použití nitinolu v sestupném pořadí podle důležitosti: (1) Spojky, (2) Biomedicínské a lékařské, (3) Hračky, ukázky, novinky, (4) Aktuátory, (5) Tepelné motory, (6) ) Senzory, (7) Kryogenicky aktivované maticové a bublinkové paměťové zásuvky a nakonec (8) zvedací zařízení.

Nitinol dnes nachází uplatnění v uvedených průmyslových aplikacích:

Tepelné a elektrické pohony

Biokompatibilní a biomedicínské aplikace

Hlavní článek: Nitinol biokompatibilita
  • Nitinol je vysoce biokompatibilní a má vlastnosti vhodné pro použití v ortopedických implantátech. Díky unikátním vlastnostem Nitinolu zaznamenala velkou poptávku po použití v méně invazivních zdravotnických prostředcích. Nitinolové hadičky se běžně používají v katétrech, stentech a superelastických jehlách.
  • V kolorektální chirurgii se materiál používá v zařízeních pro opětovné připojení střeva po odstranění patogenů.
  • Nitinol se používá pro zařízení vyvinutá Franzem Freudenthalem k léčbě ductus arteriosus , která blokuje cévu, která obchází plíce a která se po narození u kojence neuzavřela.
  • Ve stomatologii se materiál používá v ortodoncii pro držáky a dráty spojující zuby. Jakmile je drát SMA umístěn do úst, jeho teplota stoupne na teplotu okolního těla. To způsobí, že se nitinol stáhne zpět do původního tvaru, přičemž použije konstantní sílu k pohybu zubů. Tyto vodiče SMA není nutné dotahovat tak často jako jiné dráty, protože se mohou při pohybu zubů stahovat na rozdíl od běžných drátů z nerezové oceli. Nitinol lze navíc použít v endodoncii , kde se nitinolové pilníky používají k čištění a tvarování kořenových kanálků během procedury kořenového kanálku . Vzhledem k vysoké toleranci únavy a flexibilitě nitinolu výrazně snižuje možnost zlomení endodontického pilníku uvnitř zubu během léčby kořenového kanálku, čímž se zvyšuje bezpečnost pacienta.
  • Další významná aplikace nitinolu v medicíně je ve stentech : zborcený stent může být vložen do tepny nebo žíly, kde tělesná teplota zahřívá stent a stent se vrací do původního roztaženého tvaru po odstranění omezujícího pláště; stent pak pomáhá podporovat tepnu nebo žílu, aby zlepšil průtok krve. Používá se také jako náhrada stehů - nitinolový drát lze protáhnout dvěma strukturami a poté se nechat transformovat do předem vytvořeného tvaru, který by měl struktury držet na svém místě.
  • Podobně lze skládací struktury složené z pletených, mikroskopicky tenkých nitinolových vláken použít při neurovaskulárních intervencích, jako je trombolýza mrtvice, embolizace a intrakraniální angioplastika.
  • Novější aplikace nitinolového drátu je v ženské antikoncepci, konkrétně v nitroděložních tělískách .

Tlumící systémy v pozemním stavitelství

  • Superelastic Nitinol nachází celou řadu aplikací v občanských stavbách, jako jsou mosty a budovy. Jednou z takových aplikací je inteligentní železobeton (IRC), který zahrnuje Ni-Ti dráty zapuštěné do betonu. Tyto dráty dokážou vnímat praskliny a smršťovat je, aby zacelily trhliny makro velikosti.
  • Další aplikací je aktivní ladění strukturální vlastní frekvence pomocí nitinolových drátů pro tlumení vibrací.

Další aplikace a prototypy

  • Byly postaveny demonstrační modelové tepelné motory, které používají nitinolový drát k výrobě mechanické energie ze zdrojů tepla za tepla a za studena. Prototyp komerčního motoru, který v 70. letech vyvinul inženýr Ridgway Banks v Národní laboratoři Lawrence Berkeley , dostal název Banks Engine.
  • Nitinol je také oblíbený v extrémně odolných brýlových obrubách. Používá se také v některých mechanických hodinkových pružinách.
  • Inženýři společnosti Boeing úspěšně otestovali morfovací krokve ovládané SMA na Boeing 777-300ER Quiet Technology Demonstrator 2 .
  • Společnost Ford Motor Company zaregistrovala americký patent na to, čemu se říká „zařízení pro přehazovačku jízdních kol pro ovládání rychlosti jízdního kola“. Patent z 22. dubna 2019 zobrazuje přední přehazovačku jízdního kola bez kabelů, která místo toho používá dva nitinolové dráty k zajištění pohybu potřebného k řazení.
  • Může být použit jako systém řízení teploty; protože mění tvar, může aktivovat spínač nebo variabilní odpor k ovládání teploty.
  • To bylo použito v technologii mobilních telefonů jako zatahovací anténa nebo mikrofonní výložník, kvůli jeho vysoce flexibilní a mechanické paměti.
  • Používá se k výrobě určitých chirurgických implantátů, jako je SmartToe .
  • Používá se v některých novinkách, jako jsou například samostatně ohýbané lžíce, které mohou amatérští a jevištní kouzelníci použít k prokázání „psychických“ schopností nebo jako praktický vtip , protože lžíce se sama ohne, když se používá k míchání čaje, kávy nebo jakákoli jiná teplá kapalina.
  • Může být také použit jako dráty, které se používají k lokalizaci a označení nádorů prsu, takže následující operace může být přesnější.
  • Vzhledem k vysoké tlumicí schopnosti Superelastic nitinol se používá také jako vložka do golfové hole .
  • K výrobě kostic pro podprsenky s kosticemi lze použít nikl -titan .
  • Používá se v některých zařízeních spouštěcí ohýbání, jako jsou ty, vyvinutá finské technologie firmy Modti Inc .
  • Díky své superelasticitě a odolnosti se používá v nákrčnících několika sluchátek.
  • Kvůli své superelasticitě se stále častěji používá pro rybářské plováky s drátěným stonkem.

Reference

Další čtení

1. Způsob výroby dílů a forem nitinolu typu 60 s efektem tvarové paměti, zahrnující: výběr nitinolu typu 60. Inventor G, Julien, generální ředitel společnosti Nitinol Technologies, Inc. (stát Washington)

externí odkazy