Войти
 Нитиноловая проволока | |
| Свойства материала | |
|---|---|
| Точка плавления | 1310 ° C (2390 ° F) |
| Плотность | 6,45 г / см (0,233 фунта / куб. Дюйм) |
| Удельное электрическое сопротивление (аустенит) | 82 × 10 Ом · см |
| (мартенсит) | 76 × 10 Ом · см |
| Теплопроводность (аустенит) | 0,18 Вт / см · K |
| (мартенсит) | 0,086 Вт / см · K |
| Коэффициент теплового расширения (аустенит) | 11 × 10 / ° C |
| (мартенсит) | 6,6 × 10 / ° C |
| Магнитная проницаемость | < 1.002 |
| Магнитная восприимчивость (аустенит) | 3,7 × 10 ЭМЕ / г |
| (мартенсит) | 2,4 × 10 ЭМЕ / г |
| Модуль упругости (аустенит) | 75–83 ГПа |
| (мартенсит) | 28–40 ГПа |
| Предел текучести (аустенит) | 195–690 МПа |
| (мартенсит) | 70–140 МПа |
| Коэффициент Пуассона | 0,33 |
| Свойства нитинола зависят от точного состава сплава и его обработки. Эти характеристики типичны для имеющихся в продаже нитинольных сплавов с памятью формы. | |
Никель-титан, также известный как нитинол, представляет собой металлический сплав из никель и титан, где два элемента присутствуют примерно в равных атомных процентах. Различные сплавы названы в соответствии с массовым процентным содержанием никеля, например Нитинол 55 и Нитинол 60. Он проявляет эффект памяти формы и сверхупругость при различных температурах.
Нитиноловые сплавы обладают двумя тесно связанными и уникальными свойствами: эффектом памяти формы и сверхупругостью (также называемой псевдоупругостью ). Память формы - это способность нитинола претерпевать деформацию при одной температуре, оставаться в своей деформированной форме при снятии внешней силы, а затем восстанавливать свою первоначальную недеформированную форму при нагревании выше его «температуры превращения». Сверхэластичность - это способность металла подвергаться большим деформациям и сразу же возвращаться к своей недеформированной форме после снятия внешней нагрузки. Нитинол может деформироваться в 10-30 раз больше, чем обычные металлы, и возвращаться к своей первоначальной форме. Будет ли нитинол проявлять эффект памяти формы или сверхупругость, зависит от того, превышает ли он температуру превращения конкретного сплава. Ниже температуры превращения он проявляет эффект памяти формы, а выше этой температуры он ведет себя сверхупруго.
Слово нитинол происходит от его состава и место обнаружения: (Никелево-титановая лаборатория морской артиллерии). наряду с этим, обнаружил его свойства во время исследований в Военно-морской артиллерийской лаборатории в 1959 году. Бюлер пытался создать лучшую носовую часть ракеты, которая могла бы выдерживать усталость, нагрев и сила удара. Обнаружив, что сплав никеля и титана 1: 1 может справиться с этой задачей, в 1961 году он представил образец на заседании руководства лаборатории. Образец, сложенный в виде гармошки, передавался и сгибался участниками. Один из них приложил к образцу тепло от зажигалки, и, к всеобщему удивлению, полоска в форме гармошки сжалась и приняла прежнюю форму.
Хотя потенциальные возможности применения нитинола были реализованы немедленно, практические усилия по коммерциализации сплав не произошел до десятилетия спустя. Эта задержка была в значительной степени из-за необычайной сложности плавления, обработки и механической обработки сплава. Даже эти усилия столкнулись с финансовыми проблемами, которые не удалось легко преодолеть до 1980-х годов, когда эти практические трудности наконец начали разрешаться.
Открытие эффекта памяти формы в целом относится к 1932 году, когда шведский химик Арне Оландер впервые обнаружил это свойство в сплавах золота и кадмия. Такой же эффект наблюдался в Cu-Zn (латунь ) в начале 1950-х.
Трехмерное изображение структур аустенита и мартенсита соединения NiTi. Необычные свойства нитинола Свойства получены в результате обратимого твердофазного превращения, известного как мартенситное превращение, между двумя различными кристаллическими фазами мартенсита, требующего механического напряжения 10 000–20 000 фунтов на кв. дюйм (69–138 МПа).
При высоких температурах нитинол принимает взаимопроникающую простую кубическую структуру, называемую аустенитом (также известную как исходная фаза). При низких температурах нитинол самопроизвольно превращается в более сложную моноклинную кристаллическую структуру, известную как мартенсит (дочерняя фаза). Существует четыре температуры перехода, связанные с превращениями аустенит-мартенсит и мартенсит-аустенит. Начиная с полного аустенита, мартенсит начинает формироваться по мере охлаждения сплава до так называемой начальной температуры мартенсита, или M s, а температура, при которой завершается превращение, называется конечной температурой мартенсита, или M f. Когда сплав полностью мартенситный и подвергается нагреву, аустенит начинает формироваться при начальной температуре аустенита, A s, и заканчивается при температуре конечного аустенита, A f.
Термический гистерезис фазового превращения нитинола Цикл охлаждения / нагрева показывает тепловой гистерезис. Ширина гистерезиса зависит от точного состава нитинола и обработки. Его типичное значение - это диапазон температур примерно 20-50 К (20-50 ° C; 36-90 ° F), но его можно уменьшить или усилить путем легирования и обработки.
Решающими для нитинола являются два свойства. ключевые аспекты этого фазового превращения. Во-первых, превращение является «обратимым», а это означает, что нагревание выше температуры превращения вернет кристаллическую структуру в более простую аустенитную фазу. Второй ключевой момент заключается в том, что трансформация в обоих направлениях происходит мгновенно.
Кристаллическая структура мартенсита (известная как моноклинная, или структура B19 ') обладает уникальной способностью претерпевать ограниченную деформацию некоторыми способами без разрыва атомных связей. Этот тип деформации известен как двойникование, который состоит из перегруппировки атомных плоскостей без проскальзывания или остаточной деформации. Таким образом, он может подвергаться деформации примерно на 6–8%. Когда мартенсит превращается в аустенит при нагревании, первоначальная аустенитная структура восстанавливается независимо от того, деформировалась ли мартенситная фаза. Таким образом, название «память формы» относится к тому факту, что форма высокотемпературной аустенитной фазы «запоминается», даже если сплав сильно деформируется при более низкой температуре.
2D-изображение кристаллической структуры нитинола во время охлаждения / нагрева цикл За счет предотвращения превращения деформированного мартенсита в аустенит можно создать большое давление - от 35 000 фунтов на квадратный дюйм до, во многих случаях, более 100 000 фунтов на квадратный дюйм (689 МПа). Одна из причин, по которой нитинол так усердно работает, чтобы вернуться к своей первоначальной форме, заключается в том, что это не просто обычный металлический сплав, а то, что известно как интерметаллическое соединение. В обычном сплаве составляющие расположены в кристаллической решетке случайным образом; в упорядоченном интерметаллическом соединении атомы (в данном случае никеля и титана) занимают очень определенные места в решетке. Тот факт, что нитинол является интерметаллидом, во многом определяет сложность изготовления устройств из сплава.
Влияние состава нитинола на температуру M s. Сценарий, описанный выше (охлаждение аустенит с образованием мартенсита, деформирующий мартенсит, затем нагревание для возврата к аустениту, возвращая тем самым исходную недеформированную форму), известный как эффект термической памяти формы. Чтобы зафиксировать исходную «исходную форму», сплав необходимо удерживать на месте и нагреть примерно до 500 ° C (932 ° F). Этот процесс обычно называют настройкой формы. Второй эффект, называемый сверхэластичностью или псевдоупругостью, также наблюдается в нитиноле. Этот эффект является прямым результатом того факта, что мартенсит может образовываться как при приложении напряжения, так и при охлаждении. Таким образом, в определенном температурном диапазоне к аустениту можно приложить напряжение, вызывая образование мартенсита и в то же время изменение формы. В этом случае, как только напряжение будет снято, нитинол самопроизвольно вернется к своей первоначальной форме. В этом режиме использования нитинол ведет себя как суперпружина, обладая диапазоном упругости в 10–30 раз больше, чем у обычного материала пружины. Однако существуют ограничения: эффект наблюдается только на 273–313 К (0–40 ° C; 32–104 ° F) выше температуры A f. Этот верхний предел обозначается как M d, что соответствует наивысшей температуре, при которой еще возможно индуцировать образование мартенсита под напряжением. Ниже M d образование мартенсита под нагрузкой допускает сверхэластичность из-за двойникования. Выше M d, поскольку мартенсит больше не образуется, единственной реакцией на напряжение является скольжение аустенитной микроструктуры и, следовательно, остаточная деформация.
Нитинол обычно состоит из приблизительно от 50 до 51% никеля по атомным процентам (от 55 до 56% по весу). Небольшие изменения в составе могут значительно изменить температуру перехода сплава. Температуру превращения в нитиноле можно до некоторой степени контролировать, где температура A f находится в диапазоне от примерно -20 ° C до +110 ° C. Таким образом, общепринято называть состав нитинола «сверхупругим» или «аустенитным», если A f ниже эталонной температуры, и «памятью формы» или «мартенситным», если он выше. Эталонная температура обычно определяется как комнатная температура или температура человеческого тела (37 ° C; 98 ° F).
Одним из часто встречающихся эффектов в отношении нитинола является так называемая R-фаза. R-фаза - это еще одна мартенситная фаза, которая конкурирует с упомянутой выше мартенситной фазой. Поскольку он не обеспечивает больших эффектов памяти мартенситной фазы, он обычно не используется на практике.
Нитинол чрезвычайно сложно изготовить из-за исключительно жесткого контроля состава и огромной реакционной способности титана. Каждый атом титана, который соединяется с кислородом или углеродом, является атомом, отнятым у решетки NiTi, таким образом изменяя состав и делая температуру превращения намного ниже. Существуют два основных метода плавления используемых сегодня:
Хотя оба метода имеют преимущества, было продемонстрировано, что современный промышленный расплав VIM имеет меньшие включения, чем современный промышленный VAR-расплав., что приводит к более высокому сопротивлению усталости. В других исследованиях сообщается, что VAR, использующий сырье чрезвычайно высокой чистоты, может привести к уменьшению количества включений и, таким образом, к улучшению усталостных характеристик. Другие методы также используются в небольших масштабах, включая плазменную дуговую плавку, индукционную плавку черепа и плавление электронным пучком. Физическое осаждение из паровой фазы также используется в лабораторных масштабах.
Горячая обработка нитинола относительно проста, но холодная обработка затруднена, потому что огромная эластичность сплава увеличивает контакт штампа или валка, что приводит к огромному сопротивлению трению и износу инструмента. По тем же причинам обработка чрезвычайно трудна - что еще хуже, теплопроводность нитинола низкая, поэтому тепло отводить трудно. Шлифовка (абразивная резка), Электроэрозионная обработка (EDM) и лазерная резка - все это относительно просто.
Термообработка нитинола - дело деликатное и ответственное дело. Это трудоемкий процесс для точной настройки температуры превращения. Время и температура старения контролируют осаждение различных фаз, богатых никелем, и, таким образом, контролируют, сколько никеля находится в решетке NiTi; истощая матрицу никеля, старение увеличивает температуру превращения. Комбинация термической обработки и холодной обработки имеет важное значение для контроля свойств продуктов из нитинола.
Усталостные отказы устройств из нитинола являются постоянным предметом обсуждения. Поскольку это предпочтительный материал для приложений, требующих огромной гибкости и подвижности (например, периферийных стентов, сердечных клапанов, интеллектуальных термомеханических приводов и электромеханических микроактюаторов), он неизбежно подвергается гораздо большим усталостным напряжениям по сравнению с другими металлами. Хотя усталостные характеристики нитинола с контролируемой деформацией превосходят все другие известные металлы, усталостные разрушения наблюдались в самых сложных областях применения. Сейчас прилагаются огромные усилия, чтобы лучше понять и определить пределы стойкости нитинола.
Нитинол наполовину состоит из никеля, и поэтому в медицинской промышленности было много опасений относительно выделения никеля, известного аллергена и возможного канцерогена. (Никель также присутствует в значительных количествах в нержавеющей стали и кобальт-хромовых сплавах.) При правильной обработке (посредством электрополировки и / или пассивации ) нитинол образует очень стабильный защитный слой TiO 2, который действует как очень эффективный и самовосстанавливающийся барьер против ионного обмена. Неоднократно было показано, что нитинол выделяет никель медленнее, чем, например, нержавеющая сталь. При этом очень ранние медицинские устройства изготавливались без электрополировки, и наблюдалась коррозия. Сегодняшние нитиноловые сосудистые саморасширяющиеся металлические стенты, например, не показывают признаков коррозии или выделения никеля, а результаты у пациентов с аллергией на никель и без нее неотличимы.
Существуют постоянные и продолжительные дискуссии относительно включений в нитиноле, как TiC, так и Ti 2 NiO x. Как и во всех других металлах и сплавах, в нитиноле можно найти включения. Размер, распределение и тип включений можно до некоторой степени контролировать. Теоретически, меньшие размеры, округлость и меньшее количество включений должны привести к увеличению усталостной прочности. В литературе в некоторых ранних работах сообщается, что не удалось показать измеримых различий, в то время как новые исследования демонстрируют зависимость сопротивления усталости от типичного размера включений в сплаве.
Нитинол трудно сваривать как с самим собой, так и с другими материалы. Лазерная сварка нитинола сама по себе - относительно рутинный процесс. Совсем недавно прочные соединения между проволоками из никелевого титана и проволок из нержавеющей стали были выполнены с использованием никелевого наполнителя. Сварные швы с использованием лазера и вольфрамового инертного газа (TIG) выполняются между трубками из никелевого титана и трубами из нержавеющей стали. Продолжаются дополнительные исследования других процессов и других металлов, с которыми можно сваривать нитинол.
Частота срабатывания нитинола зависит от управления теплом, особенно во время фазы охлаждения. Для повышения эффективности охлаждения используются многочисленные методы, такие как принудительный воздух, проточные жидкости, термоэлектрические модули (например, тепловые насосы Пельтье или полупроводниковые насосы), радиаторы, проводящие материалы и более высокое отношение поверхности к объему (улучшение до 3,3 Гц с очень тонкие провода и до 100 Гц с тонкопленочным нитинолом). Самое быстрое срабатывание нитинола было зафиксировано за счет разряда конденсатора высокого напряжения, который нагрел провод SMA за микросекунды и привел к полному фазовому преобразованию (и высоким скоростям) за несколько миллисекунд.
Последние достижения показали, что обработка нитинола может расширить термомеханические возможности, позволяя встроить несколько запоминающих устройств формы в монолитную структуру. Исследования в области технологии мульти-памяти продолжаются и обещают предоставить в ближайшем будущем устройства с улучшенной памятью формы, а также применение новых материалов и структур материалов, таких как гибридные материалы с памятью формы (SMM) и композиты с памятью формы (SMC).
Скрепка из нитинола согнулась и восстановилась после помещения в горячую воду Существует четыре наиболее часто используемых типа применения нитинола:
Сегодня нитинол находит применение в перечисленных промышленных областях:
Процесс изготовления деталей и форм из нитинола типа 60 с эффектом памяти формы, включающий: выбор нитинола типа 60. Изобретатель G, Жюльен, генеральный директор Nitinol Technologies, Inc. (Штат Вашингтон)
 | На Викискладе есть материалы, связанные с никель-титаном. |
