NiTi nitinol – 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. 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).

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.

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

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *