Nitinol (NiTi) – materiał z pamięcią kształtu

Nitinol druty

Nitinol (NiTi) to stop niklu z tytanem, który praktyczne zastosowanie znalazł przy zawartości 53-57% masowego niklu. Materiał ten należy do grupy materiałów inteligentnych wykazujących efekt pamięci kształtu.

Materiały z pamięcią kształtu to stopy, które posiadają zdolności do zapamiętywania pierwotnie nadanego kształtu oraz jego odtworzenie pod wpływem odpowiednich warunków zewnętrznych np. zmiany pola magnetycznego lub temperatury. Zjawisko pamięci kształtu oparte jest na przemianie martenzytycznej. Przemiana martenzytyczna jest przemianą pierwszego rodzaju, więc zachodzi poprzez zarodkowanie nowej fazy i wzrost jej zarodków. Jej głównymi cechami są bezdyfuzyjność oraz charakter przemieszczeniowy.

Stopy z pamięcią kształtu: NiTi właściwości

Określenie przemiany jako bezdyfuzyjnej oznacza, że nie wymaga ona dyfuzji atomów na duże odległości, w jej trakcie nie zachodzi migracja poprzez granice rozdziału fazy macierzystej i martenzytycznej. W wyniku tego martenzyt ma ten sam skład chemiczny, stopień atomowego uporządkowania i zdefektowania sieci krystalicznej, co faza macierzysta.

 

Wykres fazowy NiTi. Zielony kolor to zaznaczone zawartości % Ni dla nitinoli wykorzystywanych w przemyśle.

Wykres fazowy NiTi. Zielony kolor to zaznaczone zawartości % Ni dla nitinoli wykorzystywanych w przemyśle.

 

Stop Ni-Ti ulega termosprężystej przemianie martenzytycznej i wykazuje jednokierunkowy efekt pamięci kształtu, dwukierunkowy efekt pamięci kształtu oraz pseudosprężystość.

Nazwa “nitinol” to akronim Ni od niklu, Ti od tytanu i NOL od Naval Ordnance Laboratory (laboratorium badawcze Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych), gdzie został zaobserwowany efekt pamięci kształtu dla tego materiału (w 1963 roku).

Nitinol: zastosowania

Już od wczesnych lat siedemdziesiątych zaczęto wykorzystywać praktyczne własności nitinolu. Znalazł on ogromne zastosowanie w przemyśle jako drut czy sprężyna, wchodzi w skład mechanizmu zabawek, stosowany jest również jako napęd mikrorobotów. Największe zastosowanie znalazł jednak w medycynie, a dokładniej w dentystyce i w chirurgii ortopedycznej dla zabezpieczenia ścięgien, więzadeł i innych miękkich tkanek w kościach.

Wśród materiałów z pamięcią kształtu ponad 90% komercyjnych zastosowań mają stopy na osnowie NiTi, wykazujące nie tylko najsilniejszy efekt pamięci kształtu w porównaniu z pozostałymi stopami, ale także najlepsze właściwości mechaniczne, np. zdolność tłumienia drgań. Ponadto wykazują one doskonałą biokompatybilność, a zatem nadają się do stosowania jako biomateriały.

Dobór stopów NiTi przeznaczonych na implanty musi zapewnić temperaturę przemiany odwrotnej powyżej temperatury ludzkiego ciała z uwzględnieniem ewentualnej gorączki. Wówczas istnieje możliwość regulowania dopływu ciepła i sterowania procesem odzysku kształtu w trakcie operacji. Przerywając dopływ ciepła zatrzymuje się proces odzysku kształtu. Dalsza kontynuacja jest możliwa poprzez ponowne nagrzanie, aż do wykorzystania całkowitej zdolności do odkształcenia się implantu.

Faza NiTi charakteryzuje się się uporządkowaną siecią regularną typu B2. Parametr sieci komórki elementarnej silnie zależy od składu chemicznego i temperatury. Obecnie przyjmuje się, że parametr ten wynosi około 0,3nm. W komórce przypisać można jeden atom niklu oraz jeden atom tytanu (pozycje 0,0,0 i ½,½,½).

 

Przemiany struktury krystalicznej nitinolu.

Przemiany struktury krystalicznej nitinolu.

 

Temperatura topnienia nitinolu wynosi około 1300°C, gęstość 6,4-6,5 g/cm3. Nikiel nie jest obojętny dla organizmu, toteż początkowo istniały obawy, co do jego zastosowań nitinolu związanych z medycyną. Jest alergenem oraz substancją rakotwórczą. Udowodniono, że poprawnie elektrochemicznie wypolerowany i pasywujący się stop nie niesie zagrożenia. Odpowiada za to szczelna i stabilna warstwa tlenku TiO2. Nitinol jest stopem bardzo trudno spawalnym. Uniemożliwia to uzyskanie skutecznego połączenia między komponentami wykonanymi z tego samego materiału, albo innych metali.

Nitinol:cena

Cena nitinolu jest jednak wysoka: stop kosztuje więcej niż 200 dolarów za funt. Rzeczywiście, stosunkowo wysoki koszt nitinolu doprowadził niektórych producentów do korzystania z tańszych, stopów na bazie miedzi. Stopy niklowo-tytanowe kosztują około 11 dolarów za funt; stopy miedziowo-cynkowo-aluminiowe kosztują około 1 dolara za funt.

Przemysłowe użycie nitinolu

Najbardziej znanym zastosowaniem rurki nitinolowej jest wykonywanie stentów samorozprężnych za pomocą cięcia laserowego. Jest to popularny wybór w obwodowych zastosowaniach naczyniowych. Kontrola stężenia i dobre wykończenie wewnętrznej średnicy rurki jest kluczem do dobrej wydajności podczas wykonywania stentów. Rurki nitinolowe są również stosowane m.in. w biopsji, endoskopii i ortopedii.

Prowadniki nitinolowe używane są do prowadzenia cewników w trudno dostępnych miejscach ciała. Są one korzystne, ponieważ w przeciwieństwie do stali nierdzewnej są odporne na zagięcia. Drut jest elastyczny i może bez uszkodzenia podążać w organizmie po krętej drodze. Nitinol będzie się płynnie obracał i przekazywał moment obrotowy. Druty nitinolowe są również powszechnie stosowane do produkcji stentów i filtrów w oplocie.

Blacha nitinolowa jest popularna, ponieważ oferuje elastyczność konstrukcyjną niedostępną w przypadku innych form – projektowanie wyrobów płaskich, a następnie formowanie ich do produkcji urządzeń. Blacha może być produkowana z bardzo wąskimi tolerancjami grubości i jednolitą kontrolą grubości na całej powierzchni. Ta wysoka wydajność procesu przynosi korzyści w zakresie optymalizacji i automatyzacji procesu – stała początkowa grubość blachy, kontrolowana obróbka końcowa daje przewidywalne wymiary końcowe.

Jedną z wad Nitinolu jest to, że nie jest on radioodporny, co jest wymogiem prawidłowego umieszczenia stentu lub możliwości umieszczenia urządzenia w korpusie. Różne systemy znakowania wykonane z metali szlachetnych, takich jak platyna i pallad, są powszechnie stosowane w połączeniu z urządzeniami na bazie nitinolu w celu poprawy radioodporności.

Podobnie jak w przypadku innych materiałów i programów rozwojowych, ścisła współpraca z łańcuchem dostaw pomaga zespołowi we wczesnej ocenie kosztów i innych wyzwań inżynieryjnych. Gdy właściwości materiałów i ograniczenia są dobrze poznane i rozważane, Nitinol może zaoferować prostą, elegancką odpowiedź na problem, w którym poprzednie rozwiązania były szczególnie złożone lub kosztowne.

Film przedstawia zachowaie nitinolu po dolaniu gorącej wody.

Źródło:
[1] Scientific Bulletin of Chelm Section of Technical Sciences No. 1/2008 MEDYCZNE ZASTOSOWANIA MATERIAŁŠÓW INTELIGENTNYCH ADAM ƂWIKŁŠA,
[2] Gazeta Uniwersyteckiej UŚ nr 6 (176) marzec 2010,
[3] Bojarski Z., Morawiec H.: Metale z pamięcią kształtu. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, 1989
[4] http://en.wikipedia.org/wiki/Nitinol_biocompatibility | 15.07.2013
[5] Nitinol draht by Petermaerki, Wikimedia Commons, CC-BY-SA-3.0
[6] NiTi structure transformation by Mmm-jun, Wikimedia Commons, CC-BY-SA-3.0
[7] Binary phase diagram of NiTI (nitinol) by Doomgiver, Wikimedia Commons, CC-BY-SA-3.0