Обзор нитинола

Никель-титановый сплав, также известный как нитинол, - это бинарный сплав, состоящий из никеля и титана. Эти два элемента примерно равны по атомному содержанию (распространены нитинол 55 и нитинол 60).

Аустенитная фаза и мартенситная фаза

В результате изменения температуры и механического давления нитинол имеет две различные фазы кристаллической структуры, а именно аустенитную и мартенситную.

В нитиноле аустенит называется материнской фазой, которая представляет собой кристаллическую фазу, проявляющуюся в сплаве при высокой температуре. При понижении температуры аустенит постепенно переходит в мартенсит (субфазу).

В процессе превращения мартенсита и аустенита существует четыре вида температур:

* As: температура, при которой мартенсит начинает превращаться в аустенит в процессе повышения температуры.

* Af: температура, при которой мартенсит заканчивает превращение в аустенит в процессе повышения температуры.

* Ms: температура, при которой аустенит начинает превращаться в мартенсит в процессе понижения температуры.

* Mf: температура, при которой аустенит заканчивает превращение в мартенсит в процессе понижения температуры.

Фазовое превращение нитинола имеет термический гистерезис, поэтому As не равно Mf, по той же причине Af не равно Ms.

Две характеристики нитинола

1. Память формы

Память формы происходит, когда материнская фаза определенной формы охлаждается от температуры выше Af до температуры ниже Mf и полностью формирует мартенсит, деформируя мартенсит ниже температуры Mf. После нагрева до температуры ниже Af, при обратном фазовом превращении, материал автоматически восстанавливает свою форму в материнской фазе. Фактически, эффект памяти формы - это термически индуцированный процесс фазового перехода нитинола. Он означает способность нитинола деформироваться при определенной температуре, а затем восстанавливать исходную, недеформированную форму, когда температура выше его "температуры перехода".

2. Сверхэластичность

Так называемая сверхэластичность относится к явлению, при котором под действием внешних сил образец создает деформацию, значительно превышающую предельную упругую деформацию, и эта деформация может автоматически восстанавливаться при разгрузке. В материнской фазе под действием внешнего напряжения деформация вызывает мартенситный фазовый переход, в результате чего сплав демонстрирует механическое поведение, отличное от поведения обычных материалов. Его предел упругости намного больше, чем у обычных материалов. И он больше не подчиняется закону Гука. По сравнению с эффектом памяти формы, сверхэластичность не требует нагрева.

Области применения нитинола

1. Оправы для очков

Хотя многие области применения нитинола не видны широкой публике, некоторые из них вполне знакомы. Оправы для очков, изготовленные из нитинола, могут быть сильно изогнуты, но затем возвращаются в нормальное состояние. Кроме того, несколько лет назад, когда в сотовых телефонах появились выдвижные антенны, многие из них были сделаны из нитинола, что позволило им сгибаться, не ломаясь и не сгибаясь окончательно.

2. Ортодонтия

Еще одно сверхэластичное применение, где вы или ваши дети могли столкнуться с нитинолом, - это дугообразные проволоки, используемые ортодонтами. Ортодонт берет нитиноловую проволоку и сгибает ее, прикрепляя к зубам. Поскольку проволока сверхэластична, она пытается вернуться в прямое состояние и постоянно оказывает усилие на зубы. Это позволяет реже посещать ортодонта для подтяжки брекетов.

3. Медицинские изделия

Хирургические инструменты и компоненты, изготовленные из нитинола, отвечают многим требованиям, особенно в минимально инвазивной или артроскопической хирургии. Они могут использовать преимущества сверхэластичности и усталостной прочности нитинола. Инструмент с изгибом можно выпрямить и ввести через канюлю - жесткую трубку. Когда инструмент выходит из канюли, он возвращается к своей первоначальной форме. Хирург выполняет процедуру, а затем инструмент втягивается обратно в канюлю, где он снова выпрямляется для легкого извлечения.

Сверхэластичные свойства нитинола, а также его биосовместимость делают его идеальным материалом для изготовления многих типов медицинских устройств, которые имплантируются в организм. Знакомый многим из нас стент - устройство, поддерживающее кровеносные сосуды и сохраняющее их открытыми. Сверхэластичность нитинола позволяет сжимать медицинское устройство, например стент или сердечный клапан, до формы, которая помещается внутри катетера. Катетер устанавливается в нужное место в организме, устройство освобождается и возвращается к своей первоначальной форме.

Эта же сверхэластичность делает нитинол единственным материалом, подходящим для стентов, используемых в сонной артерии на шее или кровеносных сосудах в ногах. В этих уязвимых местах удар в область стента приведет к его прогибу, но нитиноловый стент вернется к своей первоначальной форме. Стенты, изготовленные из других материалов, при таком ударе могут оказаться раздавленными или постоянно сгибаться.

4. Другие применения

В ряде менее известных областей применения нитинола используется его способность запоминать форму. Один известный производитель компьютеров использовал нитиноловое устройство для извлечения карт PCMCIA (Personal Computer Memory Card International Association). Кроме того, нитинол используется в муфтах, соединяющих концы гидравлических трубок в самолетах. В менее серьезных случаях нитинол позволяет ложкам из волшебного магазина гнуться, когда их помещают в горячую воду.