Никелид титана (нитинол) – это особый тип сплава, известный как сплав с памятью формы и состоит из почти равноатомных никеля и титана (т. е. 50:50 ат.% Ni и Ti). Нитинол находит широкое применение в биомедицине, автомобильных приводах, микроэлектромеханических системах (Mems) и аэрокосмической промышленности благодаря своим отличительным свойствам сверхупругости, биосовместимости, коррозионной стойкости и эффекту памяти формы.

В этой статье кратко представлены некоторые области применения никелид титана. Также обсуждается привлекательные свойства никель-титанового сплава, которые делают его наиболее востребованным материалом для различных применений.

1. Введение

Сплав титана и никеля, известный как нитинол, находит широкое применение в медицинской сфере. Из него изготавливают ортопедические имплантаты, ортодонтические устройства, кардиостенты и другие медицинские изделия. Это стало возможным благодаря высокой биосовместимости, способности к остеоинтеграции и устойчивости к коррозии.
Кроме того, нитинол обладает уникальными свойствоми — эффектом памяти формы и сверхупругостью. Это делает его незаменимым материалом для использования в автоматических приводах, космических аппаратах, электрических устройствах и микроэлектро-механических системах (Mems).

Эффект памяти формы — это явление возврата к первоначальной форме при нагреве, которое наблюдается у некоторых материалов после предварительной деформации. Нитинол представляет собой равноатомное межметаллическое соединение никель–титана. Может подвергаться обратимому фазовому превращению в твердом состоянии из упорядоченной кубической кристаллической структуры (B2), называемой аустенит, в искаженную моноклинную структуру (B19’), называемую мартенситом. Кристаллическая структура мартенсита может быть получена при закалке бинарных сплавов никель-титана при высокой температуре. Температура, при которой аустенит охлаждается и начинает превращаться в мартенсит, называется температурой начала мартенсита (Ms). Температура, соответствующая окончательному состоянию мартенсита, называется температурой окончания мартенсита (Mf). Аналогично, температура, соответствующая нагреву мартенсита для превращения его в аустенит, называется начальной температурой аустенита (As) и конечной температурой аустенита (Af).

Эффект памяти формы может быть классифицирован как односторонний и двусторонний. В одном случае восстанавливается только форма исходной фазы, в другом – сплав с памятью формы запоминает форму как исходной фазы, так и фазы продукта, и это может быть достигнуто путем нагревания и охлаждения образца.

Другим отличительным свойством нитинола является сверхупругость или псевдоупругость (PE). Сверхупругость – нелинейное восстанавливаемое деформационное поведение сплавов с памятью формы на основе нитинола.

2. Применение нитинола

Благодаря своим уникальным свойствам таким как эффект памяти формы, сверхупругость, биосовместимость, остеоинтеграция и т.д., нитинол находит все большее применение в самых разных областях техники – от аэрокосмической до биомедицинской

2.1. Биомедицинское применение никелид титана

В области медицины нитинол находит широкое применение, например, в технологии изготовления стентов, ортопедии, ортодонтии, сердечно-сосудистой и нейрохирургической областях и т.д., поскольку он обладает хорошей биосовместимостью и остеоинтеграцией. Биосовместимость – это способность материала обеспечивать надлежащую реакцию организма при конкретном применении. Остеоинтеграция – это прямое взаимодействие кости с биоматериалом, при котором отсутствует волокнистая ткань.

Нитинол в виде проволоки, используется в эндоваскулярном протезировании. Также протезирование нитинолом успешно применяется в клинической хирургии, например, при устранении дисфункций позвоночника и т.д. В ортодонтическом лечении нитевые проволоки, которые находятся в аустенитной фазе при температуре щечной полости, успешно используются с мульти брекетами. Сверхупругость используется для создания постоянного усилия после установки проволоки в брекеты для широких перемещений зубов.

Сплавы нитинола также используются во многих областях применения саморасширяющихся сосудистых стентов. Саморасширяющиеся стенты используются для лечения атеросклеротических поражений коронарных артерий, сонных артерий и периферических артерий.

Сплавы нитинола в области нейрохирургии используются для изготовления трех типов устройств: спиралей, стентов и микропроводников. Спирали – это устройства, используемые для лечения церебральных аневризм, которые представляют собой локализованные расширения внутричерепных артерий. Стенты также используются для лечения внутричерепных атеросклеротических поражений. Микропроводники, изготовленные из нитинола, используются для позиционирования стента. Они обладают тем преимуществом, что обеспечивают более высокую устойчивость к деформации и кручению. А также имеют лучшее распределение напряжений, что уменьшает проблемы с изгибом проводников.

Защита от коррозии и напряжений является основной проблемой ортопедических имплантатов, изготовленных из стальных и титановых сплавов. Несоответствие модулей Юнга для биоматериалов и окружающей кости были определены в качестве основной причины расшатывания имплантатов после защиты кости от напряжений. Нитинол обладает более низким эффектом защиты от напряжений по сравнению со стальными сплавами. Восстановление деформации в нитиноле в несколько раз больше, чем в обычных стальных сплавах

Хотя модуль упругости нитинола выше, чем натуральной кости, он может быть снижен до значений, характерных для костей, за счет увеличения пористости структуры сплава. Пористость нитинола также оказывает заметное влияние на сверхупругость. С увеличением пористости наблюдается снижение значений напряжений и модулей упругости.

Таким образом, механические и биологические свойства нитинола могут изменяться в зависимости от размера пор и их взаимосвязи, что зависит от способа изготовления.

2.2. Применение приводов из нитинола

Нитиноловые сплавы получили широкое признание в качестве приводов в машиностроении, аэрокосмической и автомобильной промышленности, а также бытовых устройствах. Большое внимание уделяется таким свойствам нитинола как высокая чувствительность к деформациям, большая гибкость и стойкость к циклической усталости.

Желаемая память формы и/или сверхупругость нитинола могут быть достигнуты за счет оптимизации холодной и термической обработки, в то время как температура перехода зависит от химического состава сплава.

Нитинол как сплав с памятью формы играет важную роль в космических системах. Нитинол используют в антеннах, солнечных батареях и т.д. В летательных аппаратах трансформирующиеся крылья и сопло, используемые для снижения шума в газотурбинных двигателях, также изготавливаются из нитинола. Сплавы нитинола подвергаются термической стимуляции посредством джоулева нагрева, чтобы вернуть свое первоначальное положение. Благодаря высокому электрическому сопротивлению нитинола джоулев нагрев обеспечивается пропусканием электрического тока. Различные приводы из сплава с памятью формы, такие как проволока, пружины сжатия и растяжения и консоли, использовались как в электрических, так и в тепловых системах управления.

Тепловые приводы из нитинола используются как в качестве датчиков, так и в качестве исполнительных механизмов. Примером, находящимся в настоящее время в производстве, является пружина сплава NiTiCu для управления открыванием дверцы в самоочищающейся духовке. Какое-то время компания «Даймлер-Benz» использовала аналогичную пружину для регулирования расхода трансмиссионной жидкости в автоматической коробке передач в период первоначального прогрева.

Промышленным предохранительным клапаном, приводимым в действие пружиной из сплава NiTiCu, является клапан Fire check®.

Первоначально он был разработан для полупроводниковой промышленности. Клапан при нагревании до заданной температуры открывает воздушный клапан или коллектор, который управляет потоком технологических газов, используемых при производстве полупроводников, перекрывая поток токсичных или легковоспламеняющихся газов. Преимуществом такой конструкции является возможность проверки работы клапана и последующего ввода его в эксплуатацию.

В дополнение в полупроводниковой промышленности эти клапаны находят применение на нефтяных и нефтехимических заводах, где постоянно существует опасность возгорания.

2.3 Микроэлектромеханические системы (МЭМС)

Микроэлектромеханические системы прошли путь от лабораторного изготовления до крупномасштабного производства. Высокая стойкость к истиранию, сверхупругость и коррозионная стойкость являются основными свойствами, которые позволяют использовать нитинол в качестве МЭМС. Производительность, выполняемая на единицу объема, отличается высокой точностью по сравнению с другими доступными микроуровневыми приводами. Скорость приведения в действие MEMS на основе нитинола зависит от скорости нагрева/охлаждения нитинола.

Высокая скорость нагрева может быть достигнута при подаче большого электрического тока, но скорость охлаждения зависит от способности рассеивать тепло. Пленки нитинола наносятся методом распыления на кремниевые подложки, а затем травятся для формирования элемента привода. Затем пленка подвергается обратному травлению, чтобы отделить ее от кремниевой подложки. MEMS-устройства используются для управления потоками жидкости и газа в производственных процессах, в качестве пневматических средств управления приборами и, возможно, в системах доставки медицинских препаратов.

Основная сложная задача в приводах на основе нитинола заключается в том, как закрепить тонкие пленки таким образом, чтобы при определенной термической обработке можно было одновременно активировать привод за счет эффекта памяти формы в предварительно напряженных тонких пленках нитинола. Разница в коэффициентах теплового расширения является движущей силой для удержания нитинола. Это основной принцип работы для фиксации, наиболее вероятно, в кремниевых пластинах, но максимальное значение предварительного натяжения ограничено.

2.4. Применение никелида титана в электрических устройствах

Благодаря изучению свойств нитинола появилось множество применений этого сплава для различных электрических устройств. Принцип работы системы защиты электрической цепи заключается в том, что предварительно натянутый нитиноловый провод с памятью формы размыкает цепь из-за перегрева. Скорость реакции составляет 1/100 секунды.

Еще одно новейшее защитное устройство с использованием свойства памяти формы нитинола – это термически активируемый механизм прерывания тока, предназначенный для защиты аккумуляторов с высокой плотностью энергии, таких как литий-ионные элементы, от неконтролируемого повышения температуры из-за перезаряда или короткого замыкания. Хотя для этого применения также можно использовать биметаллические приводы, приводы из нитинола обладают преимуществом миниатюризации размеров.

2.5. Преобразование энергии

Тепловые двигатели на основе нитинола с памятью формы используются для извлечения механической энергии из низкосортных источников, таких как теплые сточные воды, геотермальная энергия и т.д. Турбинный двигатель, двигатель со смещенным кривошипом, полевой двигатель и ударный двигатель относятся к тепловым двигателям из сплава с памятью формы.

В тепловом двигателе из сплава с памятью формы температура, необходимая для растяжения, немного ниже, чем температура, необходимая для восстановления формы катушки из сплава с памятью формы.

Пружинно-спиральные тепловые двигатели из нитинола с памятью формы имеют низкий КПД – менее 5%. Это может быть улучшено за счет разницы между самой низкой и самой высокой температурами. Высокотемпературная горячая вода способна вращаться с высокой скоростью, в то время как низкотемпературная вода способна вращаться с низкой скоростью.  Короче говоря, если разница между высокой и низкой температурами невелика, можно сконструировать тепловую машину с использованием сплава с памятью формы с высокой эффективностью.

Тепловой двигатель из сплава с эффектом памяти формы может быть полезен даже при незначительной разнице температур, и его можно создать с помощью сплава нитинола с малым гистерезисом и узким диапазоном переходных температур.

Чтобы обеспечить себя энергией на длительный срок, солнечная энергия используется для дополнительного электроснабжения. В настоящее время в основном для этих целей используются солнечные элементы, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую. Они могут использоваться непосредственно или в виде батареи для последующего использования. Солнечный двигатель с использованием нитинола с памятью формы для космических полетов был предложен потому, что температура поверхности той части спутника, которая обращена к солнцу, может превышать 120°C, в то время как температура теневой части может достигать 150°C.

Солнечный двигатель из сплава с памятью формы может непосредственно преобразовывать солнечную энергию в механическую. Чтобы исследовать его работу в различных условиях, было проведено численное моделирование. Солнечный двигатель интегрирован как часть конструкции спутника и может использоваться в качестве приводного механизма, развертываемых конструкций и для удаления пыли. По сравнению с традиционными источниками энергии, солнечная энергия экологична и чиста и является источником практически всех видов энергии.  Линза для концентрации на земле нагревает сплав с памятью формы солнечным светом. Средняя прогнозируемая мощность составляет 0,25 Вт. Химическая энергия топлива с высокой энергетической плотностью должна быть преобразована в механическую энергию, вместо того чтобы нагревать сплав с памятью формы открытым способом при воздействии источника тепла.

Еще одна актуальная тема, касающаяся высокой эффективности, это то, что производимый водород идеально подходит для конкретного топливного элемента. TiO2 под воздействием ультрафиолетового излучения расщепляет водород и кислород (эффект фотокатализатора), что составляет 4% поступающей солнечной энергии. Эффективность может быть повышена, если мы будем использовать видимый свет, который составляет 43% поступающей солнечной энергии. В последнее время был достигнут определенный прогресс в обеспечении работы TiO2 в видимом свете. Внутреннее напряжение возникает в тонкой пленке полимерной подложки с рисунком TiO2, в отличие от TiO2, легированного азотом массив нанотрубок. Сложность адгезии и долговечности между полимерной подложкой и хрупким слоем TiO2, а также высокие затраты на изготовление нанотрубок вызывают серьезную озабоченность.

Очень важно выбрать правильный тип TiO2, который будет генерироваться поверх нитиноловых пленок для получения эффекта фотокатализатора.

2.6. Другие области применения нитинола

Нитинол используется не только в инженерном сообществе, но и в сообществе художников. Например, нитинол с памятью формы использовался в качестве материала для приведения в движение скульптур. Тонкая проволока с памятью формы в искусственной мимозе поднимается и опускается при нагревании и отключении питания соответственно. Встроенный датчик автоматически реагирует на прикосновение. Аналогичным образом, очень тонкая нитиноловая проволока с памятью формы может быть использована для создания искусственных париков, которые могут внезапно менять фасон, например, с прямых на вьющиеся, в соответствии с чьим-либо выбором.

Также нитинол может быть использован для сейсмоизоляции и пассивного управления зданиями из-за высокого энергопоглощения. В последнее время в гражданском строительстве внедряются методы усиления и ремонта поврежденных конструкций с использованием сплавов с памятью формы. Почти во всех предыдущих исследованиях нитинол был встроен в матрицу и обладал отличной коррозионной стойкостью. Нитинол используется в строительстве из-за высокой плотности.

“Лаборатория на чипе” привлекает большой интерес многих сообществ, поскольку позволяет уменьшить размер полноразмерной лаборатории до размеров монеты.  Управление потоком жидкости осуществляется с помощью микроклапанов и микронасосов в микроканалах. Эффект памяти формы был предложен в качестве приводного материала для микроклапанов/насосов, поскольку он идеально подходит для минимальных приводов. Выдвижные стенты пользуются большим спросом для восстановления пациентов после осложнений, связанных с операциями на мочевом пузыре и онкологическими заболеваниями. Около 18% пациентов нуждались в повторных дилатациях, поскольку в анатомически измененном месте может развиться стеноз. Съемный стент требует лечения только один раз в год вместо реконструктивной операции по восстановлению шейки мочевого пузыря. Иногда втягивающийся стент представляет собой вставку из нитинола внутри эластичного полимера. Чтобы вставить кольцо из нитинола в полимерную трубку, необходимо придать ей круглую форму из первоначальной звездообразной. Мы можем легко спроектировать сплав с памятью формы для установки в нужном положении с точки зрения размеров полимера, что повышает жесткость полимера. Сплав нитинола с памятью формы попытается восстановить свою первоначальную звездообразную форму после нагревания стента выше температуры перехода.

3. ВЫВОДЫ

Использование нитинола не ограничивается этим обзором. Ниже кратко изложены выводы, чтобы охватить все приложения, а также будущие проблемы.:

1. Биосовместимость, эффект памяти формы, сверхупругость – это особые свойства нитинола. Эти свойства могут быть изменены путем модификации состава и соответствующей термической и механической обработки.
2. Пористость нитинола оказывает заметное влияние на сверхупругость, т.е. способность восстанавливать деформацию после нагрузки. Следовательно, влияние параметров на пористость может стать одним из будущих аспектов исследований. Еще предстоит изучить влияние пористости на различные медицинские имплантаты, а затем создать базу данных о них, чтобы инженеры и врачи могли работать на одной платформе.
3. При использовании нитинола в автомобильных приводах предварительное натяжение проволоки с памятью формы является сложной задачей.
4. Платформы с несколькими степенями свободы необходимы для контроля положения во многих инженерных приложениях.
5. Возобновляемые источники энергии – еще одна перспективная область для будущих исследований с использованием нитинола. Актуальная в настоящее время тема повышения эффективности, заключается в том, что производимый водород идеально подходит для конкретных топливных элементов. Использование сплава с памятью формы позволяет экономить энергию, используя воду и солнечную энергию наиболее экологичным способом. Очень важно выбрать правильный тип TiO2, который будет генерироваться поверх пленок из нитинола для получения эффекта фотокатализатора.
6. Из-за своей сверхупругости этот материал используется для сейсмоизоляции и пассивного контроля зданий. Можно рассмотреть влияние добавок на сверхупругость этого сплава с памятью формы.
7. Нитинол с эффектом памяти формы был предложен в качестве приводного материала для микроклапанов/насосов, поскольку он идеально подходит для минимальных приводов.

Источник:   https://www.researchgate.net/publication/271075034_Applications_of_Nickel-Titanium_Alloy